Анализ эффективности реализации в конструкции измельчительного оборудования экспериментальных параметров функционирования

УДК 621.9; 664

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ В КОНСТРУКЦИИ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

В.Б. Морозов, Т.Г. Морозова

Проведена оценка и представлен расчет эффективности внедрения в функционирование свеклорезок новых параметров получаемого продукта - экспериментально обоснованных значений толщины стружки.

Ключевые слова: технологическое оборудование, свекловичная стружка, резание, производительность, эффективность.

В результате проведённого эксперимента [12, 19] было выявлено, что оптимальное значение толщины стружки сахарной свёклы составляет 4 мм. Толщина стружки в 1 мм является технологически сложно выполнимой и увеличивает процент вредных включений в полуфабрикат, что крайне негативно сказывается на экстракции сахаров.

Эксперимент проводился в соответствии с условиями автоматизированного статистического контроля качества нештучной продукции [1-4, 6, 7, 11, 17, 18, 20, 23-25, 29], которой являются стружка и экстракционная среда. Применялись современные устройства для эксперимента, пробоот-бора [5, 8-10, 21, 22, 26-28] и контроля параметров.

Для получения сахара из свёклы её необходимо измельчить в стружку, которая получается на свеклорезках при помощи ножей, установленных в специальные ножевые рамы. Процесс измельчения на данных устройствах является несовершенным для последующего экстрагирования сахара, поэтому нуждается в доработке и применении новых параметров процесса резки.

Толщину стружки, равную 4 мм, можно получить на центробежных (или прочих) свеклорезках, внеся в её конструкцию некоторые изменения.

После автоматических весов свёкла поступает в бункер свеклорезки. Загрузочный бункер и действие центробежной силы обеспечивают постоянную подачу свёклы на ножи под таким давлением, которое обеспечивает получение стружки высокого качества. Поступившая свёкла режется в стружку ножами, установленными в ножевые рамы (рис. 1) [12, 16].

Измельчение сахарной свёклы производится за счёт попадания плодов свёклы из загрузочного бункера на ножевую раму 1, установленной на корпусе. Параметры толщины стружки изрезаемого плода регулируются путём подбора формы ножа, способа его заточки и метода установки в раме. Данная конструкция является несовершенной, крайне не удобной в эксплуатации, процесс обслуживания и замены ножей слишком трудоёмкий.

1 2 3

Рис. 1. Ножевая рама дисковой свеклорезки: 1 - ножевая рама; 2 - нож; 3 - планка; 4 - задерживающая планка

Предлагается внедрить в имеющуюся конструкцию регулировочный винт, который бы позволял регулировать зазор между ножом и планкой в ножевой раме [15, 24]. На конце регулировочного винта размещена градуированная регулировочная рукоятка (вед. изм. мм), которая позволит точно регулировать зазор между ножом и рамой, вследствие чего и толщину стружки сахарной свёклы. Данная конструкция является эффективной и универсальной [13-15], так как позволяет без разборки ножевой рамы и замены ножа регулировать толщину стружки измельчаемого плода (рис. 2).

1 2 3 4

Рис. 2. Ножевая рама дисковой свеклорезки: 1 - ножевая рама; 2 - нож; 3 - планка; 4 - регулировочный винт; 5 - градуированная рукоятка регулировочного винта; 6 - задерживающая планка

При попадании плода свёклы на ножевые рамы процесс изрезыва-ния плода происходит непосредственно в зазоре между ножом 2 и планкой 3. Вращая градуированную рукоятку 5, перемещается планка 3 закреплённая на регулировочном винте 4, в результате чего регулируется зазор меж-

100

ду ножом и планкой. Именно этот зазор напрямую влияет на толщину стружки. Рукоятка регулировочного винта позволит добиться толщины стружки любой заданной величины. По проведённым исследованиям оптимальная толщина стружки сахарной свёклы является 4 мм. С помощью данной конструкции можно легко добиться заданного параметра, выставив зазор в 4 мм с помощью регулировочного винта.

Проведём расчёт производительности технологического оборудования для различных входных параметров резания и осуществим подтверждение срабатывая свеклорезки для новых выходных параметров стружки.

Расчёт производительности свеклорезки (кг/с) рассчитывается по следующей формуле:

б = ЬЬ2УргКхК2 Кз,

где Ь - длина режущей кромки ножа, м (для центробежной свеклорезки Ь = 0,33 м ; 5 - средняя толщина стружки, м; г - число режущих устройств;

3 3

ур - скорость резания, м/с; р - плотность свёклы, кг/м (р = 550 кг/м ); КI - коэффициент объёмного уплотнения свёклы; К2 - конструктивный коэффициент; К3 - эксплуатационный коэффициент (табл. 1).

Таблица 1

Значения V, р, Кк, Кэ для свеклорезок различных типов

Тип свеклорезок V, м/с 3 р, кг/м К2 К3

Имеется резервная свеклорезка Не имеется резервной свеклорезки

Центробежная 5,7...9,65 600 0,90 0,90 0,85

Дисковая 8,0 550 0,85 0,90 0,80

Барабанная 7,4 550 0,50 0,90 0,80

Толщину стружки выбирают в зависимости от качества свёклы и конструкции диффузионных аппаратов. Однако после исследований толщину стружки принимаем 4 мм.

На высоту подъёма ножа влияет необходимая толщина свекловичной стружки, конструкция и шаг ножей, а также качество перерабатываемой свёклы. Так как толщина стружки принята 4 мм, то в соответствии с этим определяем высоту стружку, равную 4 мм.

Количество режущих устройств зависит от конструкции свеклоре-зательной машины, его выбирают из условия обеспечения заданной производительности. По паспорту выбираем количество режущих устройств, равное 48, так как ножевых рам 24 и в каждой по два ножа.

Скорость резания определяется типом свеклорезательной машины, качеством исходного сырья и требованиями технологического процесса. Для рассматриваемой свеклорезки регулируемую скорость резания определяем по формуле

кБп

п =-= 6,5 м/ с,

60

где Б - диаметр корпуса свеклорезки, Б=1,55 м; п - частота вращения улитки свеклорезки, п=80 мин.

Коэффициент объёмного уплотнения К1 учитывает неравномерность распределения свёклы в рабочем объёме машины и зависит от угловой скорости ротора. По результатам исследований на сахарных заводах Э. В. Островским было установлено, что изменение коэффициента К1 для свежей свёклы при изменении угловой скорости w ротора от 5 до 20 рад/с и скорости резания от 3 до 12 м/с может быть выражено следующим эмпирическим уравнением:

К1 = 1,38-10-5 ю3,4 + 0,56. Конструктивный коэффициент К2 учитывает степень использования ножей в машине и зависит от её конструкции. С.М. Гребенюк рекомендует значения коэффициента К2, которые указаны в табл. 1.

Эксплуатационный коэффициент К3 равен отношению времени непрерывной работы машины в течение суток в часах к длительности суток в часах (выбираем по табл. 1).

Принимаем Ь = 0,335. Так как в свеклорезке установлено 24 рамы по паре ножей в каждой, то г = 48.

Толщину стружки для начала принимаем теоретическую 5теор = 1,7

мм.

Скорость резания свёклы V = 8 м/с.

Плотность свёклы для дисковых свёклорезок р = 600 кг/м . Угловую скорость примем w = 14 рад/с и находим коэффициент объёмного уплотнения свёклы

К1 = 0,67.

Примем К2= 0,9 (для центробежной свеклорезки), К3 = 0,9, т.к. имеется резервная машина.

По формуле 1 находим производительность по свёкле:

б = 57 кг/с.

Учитывая, что завод работает в 2 смены по 8 ч, производительность

будет

б = 57 • 3600 -14,4 кг/сут = 2954880 кг/сут » 3000 т/сут,

где 14,4 ч - время непрерывной работы машины в течение суток.

Теперь принимаем практическую толщину стружки 5пр = 4 мм, полученную в результате исследований по формуле (1):

102

( = 124 кг/с.

Также учитывая, что завод работает в 2 смены по 8 ч, производительность будет

( = 124 • 3600 14,4 = 6428160 кг/сут » 6428000 кг/сут = 6428 т/сут.

В результате полученных вычислений значение производительности увеличилось на 114 %.

При резании свёклы в стружку необходимо обеспечить такое условие, при котором прижатый действием центробежной силы плод будет гарантированно разрезан в стружки, т.е. преодолена сила сопротивления резанию.

Исходные данные сведены в табл. 2.

Таблица 2

Исходные данные для силового расчёта резания свёклы

№ п/п Наименование параметра Единица измерения Обозначение параметра Значение параметра

1 Линейная скорость (резания) м/с V 6,5

2 Расстояние от оси вращения до ножа м Я 1,55/2

3 Удельное сопротивление резанию Н/м уд 6,85.14,7

4 Коэффициент трения свёклы о нож - т 0,25

На рис. 3 представлена условная схема силовых нагрузок при резании плода свёклы.

Центробежная сила, воздействующая на плод при функционировании свеклорезки, рассчитывается по формуле

ш¥2

рТТ = шатт = -

ц ц Я 9 где ш - масса плода, кг; ац - центробежное ускорение.

При средней массе плода т = 1,5 кг из диапазона 04.. .2,6 кг

К = 81,4 Н.

Расчёт силы резания осуществлён по формуле

ррез=(1 -т) N.

103

Из рис. 3 видно, что N = , тогда

^рез =(1 -т) , Крез = 61,35 Н.

Рассчитана требуемая сила резания, исходя из экспериментальных данных:

К = К 1

рез треб уд

где 1 - длина контактной линии резания, см; которая определяется как половина среднего диаметра плода dср, т.е.

1 = ^ = 2

59 см.

Тогда

Fрез треб = (6,85  14,7) • 5 = 34,25 - 73 Н. В среднем значении требуемая сила резания принята Крез треб = 53,63 Н.

Рис. 3. Схема приложения сил при резании плода на центробежной свеклорезке: Кц - центробежная сила, Н; N - сила нормальной

реакции опоры, Н; - сила трения плода о нож, Н; ^рез - сила резания, Н

Проведена оценка обеспечения срабатывания свеклорезки. В условиях функционирования оборудования необходимо, чтобы требуемое усилие резания было гарантировано функциональными параметрами свеклорезки. Иными словами, необходимо и достаточно выполнение следующего условия:

F > F

рез рез треб' 61,5 > 53,63 H,

что свидетельствует об обеспечении срабатывания свеклорезки по прямому функциональному назначению.

Таким образом, реализация экспериментально полученных параметров процесса резания (толщина стружки) [12, 16] позволяет значительно повысить производительность свеклорезки при обеспечении функционального срабатывания конструкции.

Список литературы

1. Автоматизация статистического контроля качества пищевой продукции в массовых производствах / А.С.Горелов [и др.]; под науч. ред.

B.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.

2. Горелов А.С., Лисицын С.А., Морозов В.Б. Статистическое исследование точности работы дозаторов роторной машины для розлива водок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 7. Ч. 1. С. 133-138.

3. Горелов А.С., Морозов В.Б., Сапронов П.В. Структурирование в технологической системе отбора и подготовки проб продукции и сырья пищевой и перерабатывающей промышленности // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 2.

C. 345-355.

4. Горелов А. С., Прейс В.В., Сосков В.Б. Принципы построения интегрированной системы автоматизированного статистического контроля качества машиностроительной продукции // СТИН. 2007. № 12. С. 2-5.

5. Патент на полезную модель RUS 55132 06.03.2006. Пробоотборник жидкости из трубопровода / А.С.Горелов, В.В.Прейс, В.Б.Сосков.

6. Горелов А.С., Прейс В.В., Сосков В.Б. Системы отбора и подготовки проб для автоматизированного статистического контроля качества нештучной продукции / под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 104 с.

7. Горелов А.С., Прейс В.В., Сосков В.Б. Теоретические основы синтеза структур автоматизированных систем отбора и подготовки проб нештучной продукции // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2008. Вып. 1. С. 234-249.

8. Патент на полезную модель RUS 56616 19.04.2006. Устройство отбора проб из открытого потока жидкости / А.С.Горелов, В.В.Прейс, В.Б.Сосков.

9. Патент на полезную модель RUS 55135 06.03.2006. Устройство сокращения сыпучих проб / А.С.Горелов, В.В.Прейс, В.Б.Сосков.

105

10. Патент на полезную модель RUS 111528 22.06.2011. Шнековый питатель / В.В.Жарков, В.Б.Морозов, В.В.Прейс.

11. Лисицын С.А., Морозов В.Б., Прейс В.В. Обеспечение качества розлива ликероводочной продукции на роторных (карусельных) машинах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. Вып. 2. Ч. 1. С. 177-185.

12. Морозов В.Б. Анализ технологической операции измельчения в свеклосахарном производстве // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 1. С. 214-220.

13. Морозов В.Б. Анализ функционально-структурных компонентов машин сельскохозяйственного назначения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. Вып. 1. С. 23-28.

14. Морозов В.Б. Комплексная безопасность как элемент качества в пищевых и перерабатывающих производствах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 258-263.

15. Морозов В.Б. Оценка модернизации ротора автоматической центрифуги ФНП-1251-Л2 сахарного производства // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 5. С. 58-64.

16. Морозов В.Б. Экспериментальная оценка варьируемых геометрических размеров свекловичной стружки в технологических системах процессов сахарного производства // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 10. С. 150-159.

17. Морозов В.Б. Элементы управления качеством продукции: репрезентативность проб // Современные материалы, техника и технология: материалы 3-й Международной научно-практической конференции / отв. ред. А.А.Горохов. 2013. С. 348-350.

18. Морозов В.Б., Морозова Т.Г. Методологическое и техническое обеспечение процесса получения репрезентативных проб // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 7. Ч. 2. С. 14-21.

19. Морозов В.Б., Морозова Т.Г. Экспериментальная оценка функциональных параметров процесса смешения разноагрегатных сред // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 7. Ч. 2. С. 99-106.

20. Прейс В.В., Морозов В.Б., Лисицын С.А. Задачи статистического моделирования процедур непрерывного (выборочного) контроля параметров розлива и упаковки напитков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2009. Вып. 1. Ч. 1. С. 205-212.

21. Патент на полезную модель RUS 97989 19.05.2010. Устройство для дозирования жидкости / В.В.Прейс, В.Б.Морозов, С.А.Лисицын.

22. Патент на полезную модель RUS 97989 19.05.2010. Устройство для дозирования жидкости / В.В.Прейс, В.Б.Морозов, С.А.Лисицын.

23. Сосков В.Б. Представительность процесса пробоотбора нештучной продукции // Автоматизация. Современные технологии. 2005. № 7. С. 36-37.

24. Сосков В.Б. Принцип совмещения операций в новом устройстве отбора проб жидкостей // Вестник машиностроения. 2004. № 8. С. 84.

25. Сосков В.Б., Горелов А.С. Автоматизация процедур статистического контроля качества нештучной продукции // Вестник Курганского государственного университета. Сер. Физиология, психофизиология, психология и медицина. 2006. № 5-2. С. 125-126.

26. Патент на изобретение RUS 2263890 06.05.2004. Устройство для отбора проб сыпучих материалов / В .Б. Сосков, А.С.Горелов, В.В.Прейс.

27. Патент на полезную модель RUS 54430 20.12.2005. Устройство управления качеством нештучного продукта / В.Б.Сосков, А.С.Горелов, В.В.Прейс.

28. Патент на изобретение RUS 2224990 27.05.2002. Устройство для отбора проб жидких сред из трубопровода / П.В.Пересторонин, В.Б.Сосков [и др.].

29. Gorelov A.S., Preis V.V., Morozov V.B. // Design principles for integrated automated statistical quality-control systems in manufacturing // Russian Engineering Research. 2008. Т. 28. № 3. С. 251-254.

Морозов Владимир Борисович, канд. техн. наук, доц., qtay@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Морозова Татьяна Геннадьевна, магистр, nusichka-89@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

IMPLEMENTATION EFFICIENCY ANALYSIS IN THE DESIGN OF THE EQUIPMENT FOR CUTTING OF EXPERIMENTAL PARAMETERS OF FUNCTIONING

V.B. Morozov, T.G. Morozova

The implementation efficiency evaluation in functioning of devices for cutting of beet of new parameters of the received product - experimentally reasonable values of thickness of shaving is carried out, calculation is provided.

Key words: processing equipment, beet shaving, cutting, performance, efficiency.

Morozov Vladimir Borisovich, candidate of technical science, docent, qtay@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Morozova Tatiana Gennadjevna, master, nusichka-89@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University