Substantiation of rational design parameters of variable pitch screw of an extruder

Full Text

Введение Анализ эффективности способов подготовки к скармливанию кормового материала (экструдата) показал, что наибольший практический и научный интерес представляет тепловой способ обработки [1], для которого используется пресс-экструдер КМЗ-2 (рис. 1). Исследования В.В. Новикова [1, 2] позволили установить, что в процессе образования экструдата происходит его перемещение по всей длине рабочей камеры, образованной пространством между витками шнека и внутренней поверхностью корпуса, за счет чего получаемая смесь нагревается и уплотняется. На основании теоретических исследований В.Ю. Фролова [3] установлено, что шнек должен иметь переменный шаг (см. рис. 1), уменьшающийся по мере продвижения вдоль его оси обрабатываемого кормового материала (ОКМ). По мере перемещения вдоль оси шнека ОКМ уплотняется и доходит до состояния, позволяющего принимать необходимую форму в соответствии с требованиями к процессу. Анализ технологического процесса пресс-экструдера, проведенный А.А. Курочкиным и В.В. Новиковым [5], показал, что шнек служит как для перемещения обрабатываемого сырья, так и для его уплотнения. В связи с этим он обычно включает несколько ступеней, каждая из которых имеет свое назначение. Например, в экструдерах типа КМЗ-2 первая из трех ступеней шнека предназначена для работы в зоне загрузки, где продолжается интенсивное перемешивание (после дозирующего механизма) и перемещение частиц обрабатываемого сырья вдоль оси шнека, а также начинается их уплотнение. Цель исследования Определение рациональных параметров шнека переменного шага в зонах загрузки и прессования пресс-экструдера представляет весьма важную задачу как с теоретической, так и с практической точки зрения [5]. В связи с этим цель исследования состоит в определении рациональных конструкционных параметров шнека переменного шага пресс-экструдера в зонах загрузки и прессования ОКМ на основе подсолнечного жмыха. Определение рациональных параметров шнека На начальном этапе рассмотрим конструкционные параметры шнека переменного шага пресс-экструдера в зоне загрузки ОКМ на основе подсолнечного жмыха. Для этого определим угол конусности шнека переменного шага (см. рис. 1, 2) в зависимости от его диаметра и длины по выражению: где dн, dк - начальный и конечный диаметры шнека, м; Lш - длина шнека, м. Длина шнека определяется по выражению [1]: где tN - шаг витка шнека при числе оборотов N, м; z - количество витков шнека по длине вала; ∆b - ширина витка шнека в нормальном сечении, м. Подставим в выражение (1): где N - число оборотов шнека; - коэффициент пропорциональности, a > 1; b - шаг витка шнека, м. С учетом выражения (2) угол конусности шнека: Из полученного выражения следует, что угол конусности шнека переменного шага пресс-экструдера прямо пропорционален его диаметрам и обратно пропорционален его длине. Из рис. 2 очевидно, что величина уменьшения диаметра шнека переменного шага: где d1 - диаметр шнека в конце отрезка при t = a, м. При повороте шнека на один оборот (360°) его диаметр в конце отрезка составит при повороте на два оборота (720°) от первоначального положения при повороте на три оборота (1080°) от первоначального положения При повороте шнека переменного шага на угол его диаметр На следующем этапе рассмотрим процесс уплотнения-прессования ОКМ на основе подсолнечного жмыха шнеком переменного шага пресс-экструдера. Для этого определим закон сжатия [1] ОКМ на основе подсолнечного жмыха [6] шнеком переменного шага пресс-экструдера в зоне прессования. Получаемый из семян подсолнечный жмых поступает в пресс-экструдер выровненным по физико-механическим свойствам. Семена подсолнечника имеют определенные толщину, ширину и индивидуальную массу [7], получаемые в результате сортирования на зерноочистительных машинах типа МВУ-1500 [8, 9] и универсальных семяочистительных комплексах [10, 11]. В их состав входит не только зерноочистительное оборудование, но и фотоэлектронные сепараторы [12], работающие по бесфракционной и фракционной технологиям [13]. Согласно условию непрерывности потока определим плотность ОКМ на основе подсолнечного жмыха в зоне прессования [1]: где ρ0, ρ - плотности слоя ОКМ на начальном и конечном этапах, достигнутые при деформации, кг/м3; - скорости движения слоя ОКМ на начальном и конечном этапах по оси шнека переменного шага, м/с; S0, S - площади ОКМ на начальном и конечном этапах, м2. Относительное приращение плотности слоя ОКМ рассчитаем по формуле [14]: Объем уплотненного ОКМ (см. рис. 2) в начале и конце шнека переменного шага: где δ0, δ - толщина прессуемого ОКМ на начальном и конечном этапах прессования, м. Подставим выражения (4) и (5) в (3), преобразуем и окончательно получим плотность ОКМ в зоне прессования: Анализ уравнения (6) показывает, что плотность ОКМ на основе подсолнечного жмыха в зоне прессования зависит от его физико-механических свойств. Основное уравнение прессования ОКМ, представленное в степенной форме, имеет вид [15]: Выразив из уравнения (6) относительное приращение плотности и приравняв левую часть к выражению (7), получим давление ОКМ в зоне прессования: Обозначим с = Р0, так как используется единица измерения МПа [15]. Тогда выражение (8) окончательно примет вид: Анализ выражения (9) показывает, что давление в зоне прессования ОКМ на основе подсолнечного жмыха зависит от его физико-механических свойств. Масса ОКМ, получаемая в результате сжатия: При перемещении ОКМ на путь, равный шагу витка шнека, уменьшение его массы при повороте на 360° составит: Учитывая, что , при повороте шнека переменного шага на один оборот относительное уплотнение ОКМ: При повороте шнека на два оборота (720°) с учетом При повороте шнека на три оборота (1080°) с учетом При поворота шнека переменного шага относительное уплотнение ОКМ: Формула (10) выражает относительное уплотнение ОКМ на основе подсолнечного жмыха при повороте шнека переменного шага на угол . На основе непрерывности потока где , - плотности ОКМ при повороте шнека переменного шага на один и два оборота (360 и 720° соответственно), кг/м3. Из выражения (11) очевидно, что: Заключение В результате теоретических исследований шнека переменного шага пресс-экструдера КМЗ-2 установлено, что увеличение плотности ОКМ на основе подсолнечного жмыха происходит пропорционально уменьшению шага его витка (выражение (12)). Плотность ОКМ на основе подсолнечного жмыха зависит от его физико-механических свойств.

About the authors

I. E Priporov

I.T. Trubilin Kuban State Agrarian University

Email: ya.krip10@ya.ru
PhD in Engineering Krasnodar, Russia

References

Supplementary files