СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕССУЮЩИЙ РОЛИК ПРЕСС-ГРАНУЛЯТОРА
FORCE-MEASURING PRESSING ROLLER OF PRESS-GRANULATOR

Изобретение относится к области техники для прессового гранулирования предварительно измельченных материалов растительного, животного и минерального происхождения, преимущественно комбикормов, и может быть использовано для определения напряженного состояния в клиновидном рабочем пространстве вальцово-матричных пресс-грануляторов.
Известны прессующие ролики пресс-грануляторов с кольцевой матрицей, содержащие ось с подшипниками и установленную на них с возможностью вращения относительно оси обечайку в виде цилиндрической оболочки с нанесенными на ее наружную рабочую поверхность неровностями для увеличения втягивающих прессуемый материал касательных сил [Жислин Я.М., Пикус Б.И. Дробильное и прессующее оборудование комбикормового завода. - М.: Агропромиздат, 1987. - С. 63; Кучинскас З.М., Особов В.И., Фрегер Ю.Л. Оборудование для сушки, гранулирования и брикетирования кормов. - М.: Агропромиздат, 1988. - С. 149; Патент США 5248469, B29B 9/00, 19.10.1992; Патент Франции 2975144, F16C 13/00, 16.11.2012].
Такая конструкция прессующего ролика является универсальной, однако не позволяет использовать ее для определения параметров напряженного состояния прессуемого материала в клиновидном рабочем пространстве пресс-гранулятора, представляемых в виде силовой характеристики процесса.
Известен также прессующий ролик для пресс-гранулятора с кольцевой матрицей, в конструкцию которого встроено силоизмерительное устройство в виде радиального несущего тензометрического штифта с наклеенными непосредственно на него тензодатчиками, включенными при помощи токосъемного устройства в информационно-измерительную систему, при этом один конец тензометрического штифта является упорным, а другой - выведен на рабочую поверхность прессующего ролика [Некрашевич В.Ф. Научно-техническое обоснование технологии и средств механизации приготовления кормовых гранул и брикетов с заданными физико-механическими свойствами [Электронный ресурс]: дис. … докт. техн. наук: 05.20.01. - Рязань, 1982. - С. 234-298. - URL: http://dlib.rsl.ru/01004029187 (дата обращения: 01.10.2014)].
Недостатками известной конструкции являются то, что чувствительный упругий элемент с тензодатчиками выполнен в виде стержня, работающего на сжатие. При таком исполнении неизбежно возникновение поперечных сил и изгибающих моментов, обусловливающих значительную погрешность в измерении нормальных радиальных сил. Поскольку тензометрический штифт является несущим, то такое тензозвено имеет недостаточную чувствительность. Для увеличения чувствительности уменьшают его диаметр. Однако с уменьшением диаметра снижается его продольная устойчивость, в связи с чем теряется работоспособность этого тензозвена.
Недостатком прототипа также является возможность измерения для каждого поперечного сечения клиновидного рабочего пространства пресс-гранулятора только концентрированной точечной радиальной нагрузки и невозможность определения нормальных радиальных напряжений, действующих по всей ширине рабочего органа, и степени неравномерности их распределения.
Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерения нормальных радиальных напряжений (давления прессования) в клиновидном рабочем пространстве пресс-гранулятора, а также возможность определения непосредственно в процессе прессового гранулирования (как на лабораторных, так и на промышленных пресс-грануляторах) параметров напряженного состояния и их распределения не только в тангенциальном, но и в осевом (по ширине рабочих органов) направлениях, что обусловливает расширение технических возможностей устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, что в силоизмерительном прессующем ролике пресс-гранулятора, содержащем ось с подшипниками, установленную на них с возможностью вращения относительно оси обечайку в виде цилиндрической оболочки с нанесенными на ее наружную рабочую поверхность неровностями и силоизмерительное устройство с тензометрическими элементами, включенное в информационно-измерительную систему, силоизмерительное устройство размещено во внутреннем продольном сквозном пазу обечайки и в сквозных цилиндрических радиальных отверстиях, выполненных в ряд по длине внутреннего продольного сквозного паза в его плоском основании. Тензометрические элементы выполнены в виде двухопорных тензометрических пластин с наклеенными на них тензодатчиками. Силоизмерительное устройство содержит несущие штифты в форме цилиндрического стержня со сферической головкой и общую для всех двухопорных тензометрических пластин опору. При этом каждый несущий штифт, установленный с минимальным кольцевым зазором в соответствующее сквозное цилиндрическое радиальное отверстие и рабочим концом выходящий на контактную поверхность обечайки на уровень оснований неровностей, опирается сферической головкой на отдельную двухопорную тензометрическую пластину, установленную краями на продольные выступы опоры, жестко зафиксированной во внутреннем продольном сквозном пазу обечайки. Внутренний продольный сквозной паз в обечайке выполнен прямоугольным и ограничен с ее торцов присоединенными к ним торцевыми крышками, между наружными кольцами подшипников размещена дистанционная втулка, при этом опора для двухопорных тензометрических пластин жестко зафиксирована во внутреннем продольном сквозном пазу обечайки призматическими элементами, установленными в пазы, выполненные в сопряженных с внутренней поверхностью обечайки цилиндрических поверхностях торцевых крышек и дистанционной втулки и совмещенные с внутренним продольным сквозным пазом обечайки. Внутренний продольный сквозной паз в обечайке имеет Т-образную форму с выступами, фиксирующими опору для двухопорных тензометрических пластин. В обечайку встроено как минимум два равномерно распределенных по окружности силоизмерительных устройства, установленных в отдельных внутренних продольных сквозных пазах обечайки и в соответствующих сквозных цилиндрических радиальных отверстиях, причем несущие штифты в каждом последующем силоизмерительном устройстве смещены в осевом направлении обечайки относительно положения несущих штифтов каждого предыдущего силоизмерительного устройства. Информационно-измерительная система содержит жестко связанный с силоизмерительным устройством в обечайке модуль многоканального аналого-цифрового преобразователя с автономным блоком питания, встроенным флэш-накопителем и модулем беспроводного подключения к персональному компьютеру. Силоизмерительный прессующий ролик содержит отметчик положения на осциллограмме минимального зазора между рабочими поверхностями обечайки прессующего ролика и матрицы пресс-гранулятора, состоящий из тахометрического датчика, установленного в плоскости симметрии силоизмерительного устройства, и элемента с тахометрической меткой, размещенной в плоскости сечения минимального зазора, причем тахометрический датчик жестко связан с силоизмерительным устройством и обечайкой, а элемент с тахометрической меткой закреплен на оси прессующего ролика с возможностью регулировки относительно нее углового положения тахометрической метки.
На фиг. 1 показана схема рабочего пространства пресс-гранулятора с силоизмерительным прессующим роликом; на фиг. 2 - осевой разрез силоизмерительного прессующего ролика; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - продольный разрез обечайки с Т-образным пазом и установленным в нем силоизмерительным устройством; на фиг. 6 - схема размещения в обечайке силоизмерительных устройств со смещением несущих штифтов в осевом направлении обечайки; на фиг. 7 - вариант конструкции силоизмерительного прессующего ролика (фотография реального устройства).
Силоизмерительный прессующий ролик 1 пресс-гранулятора с кольцевой матрицей 2 содержит ось 3 с подшипниками 4, установленную на них с возможностью вращения относительно оси 3 обечайку 5 в виде цилиндрической оболочки с нанесенными на ее наружную рабочую (контактную) поверхность неровностями для увеличения втягивающих прессуемый материал касательных сил и силоизмерительное устройство 6 с тензометрическими элементами. Для установки силоизмерительного устройства 6 в обечайке 5 в ее осевом направлении выполнен внутренний продольный сквозной паз 7 с плоским основанием 8. В основании 8 паза 7 по его длине выполнен ряд сквозных не перекрывающих друг друга цилиндрических радиальных отверстий 9. Оси каждого из радиальных отверстий 9 находятся в разных продольных сечениях обечайки 5, перпендикулярны основанию 8 и совпадают с продольной плоскостью симметрии паза 7. Встраиваемое в обечайку 5 силоизмерительное устройство 6 образовано двухопорными тензометрическими пластинами 10, несущими (передающими усилие) штифтами 11, а также общей для всех тензометрических пластин 10 опорой 12. При этом каждый несущий штифт 11, имеющий форму цилиндрического стержня со сферической головкой на одном конце, установлен с кольцевым зазором в соответствующее радиальное отверстие 9 таким образом, что рабочим концом выходит на контактную поверхность обечайки 5 на уровень оснований неровностей, а сферической головкой опирается на отдельную тензометрическую пластину 10, являющуюся чувствительным упругим (тензометрическим) элементом, служащим измерителем радиальной силы. На каждой тензометрической пластине 10 на ее противоположной поверхности установлен (наклеен) тензодатчик 13, измеряющий деформацию изгиба. Тензометрические пластины 10 расположены на опоре 12, опираясь краями на ее специальные продольные выступы 14. Опора 12 жестко зафиксирована в пазу 7 обечайки 5.
При прямоугольной форме паза 7 опора 12 жестко фиксируется в нем призматическими элементами 15, установленными в пазы, которые выполнены в сопряженных с внутренней поверхностью обечайки 5 цилиндрических поверхностях торцевых крышек 16, 17 и дистанционной втулки 18 и совмещены с пазом 7. Торцевые крышки 16 и 17 присоединены к обечайке 5 и ограничивают со стороны ее торцов паз 7. Дистанционная втулка 18 размещена между наружными кольцами подшипников 4. При Т-образной форме паза 7 опора 12 фиксируется его выступами.
В обечайку 5 может быть встроено несколько равномерно распределенных по окружности силоизмерительных устройств 6, компоненты каждого из которых устанавливаются в отдельный паз 7 и соответствующие радиальные отверстия 9. При этом несущие штифты 11 в каждом последующем силоизмерительном устройстве 6 смещены в осевом направлении обечайки 5 относительно положения несущих штифтов 11 каждого предыдущего силоизмерительного устройства 6.
Информационно-измерительная система силоизмерительного прессующего ролика 1 содержит модуль 19 многоканального аналого-цифрового преобразователя с автономным блоком питания, встроенным флэш-накопителем и модулем беспроводного подключения к персональному компьютеру. Модуль 19 жестко связан с силоизмерительным устройством 6 в обечайке 5, для чего может быть закреплен на стойках в виде шпилек 20, присоединенных к торцевой крышке 16.
min
Силоизмерительный прессующий ролик 1 пресс-гранулятора содержит также отметчик положения на осциллограмме минимального зазора h между рабочими поверхностями обечайки 5 и матрицы 2 пресс-гранулятора, состоящий из тахометрического датчика 21 и элемента 22 с тахометрической меткой 23. Тахометрический датчик 21 установлен в продольной плоскости симметрии силоизмерительного устройства 6 и жестко связан с ним и обечайкой 5. Элемент 22 с тахометрической меткой 23 установлен на оси 3.
min
min
Работа силоизмерительного прессующего ролика 1 осуществляется следующим образом. В пресс-грануляторе увлекаемый в клиновидное рабочее пространство под действием контактных касательных напряжений слой 24 прессуемого материала сжимается обечайкой 5 и экструдируется в фильеры матрицы 2 в виде гранул 25. В прессуемом материале, находящемся в области деформации и контакта с рабочими органами, возникает сложное напряженное состояние, параметры которого различны в каждом поперечном и продольном сечениях слоя 24 прессуемого материала. На прессуемый материал со стороны обечайки 5 действуют, в частности, нормальные радиальные напряжения. При вращении обечайки 5 относительно оси 3 несущие штифты 11 в каждом поперечном сечении клиновидного рабочего пространства пресс-гранулятора воспринимают со стороны прессуемого материала силы нормального давления и передают их тензометрическим пластинам 10. Сферическая головка несущего штифта 11 обеспечивает точеный контакт с тензометрической пластиной 10 и предотвращает его выпадение из радиального отверстия 9. Под действием радиальной силы несущий штифт 11 может свободно перемещаться на микрорасстояние, равное прогибу тензометрической пластины 10 вследствие ее упругой деформации. Деформируются вместе с тензометрическими пластинами 10 и наклеенные на них тензодатчики 13, вследствие чего изменяется их электрическое сопротивление, что выводит из баланса электрические мосты, по схеме которых тензодатчики 13 соединены в информационно-измерительную систему. Модуль 19 аналого-цифрового преобразователя работает в качестве автономного регистратора сигналов и бесконтактного цифрового токосъемника. Модуль 19 в автономном режиме по заданному сценарию записывает на флэш-накопитель оцифрованные сигналы с тензометрических мостов, а также в режиме реального времени передает их через беспроводной интерфейс непосредственно на персональный компьютер. По полученным осциллограммам строится трехмерное распределение напряжений в виде эпюр. Угловое положение элемента 22 с тахометрической меткой 23 относительно оси 3 регулируется таким образом, чтобы тахометрическая метка 23 была расположена в плоскости сечения минимального зазора h. Подключенный к модулю 19 тахометрический датчик 21 при взаимодействии с тахометрической меткой 23 фиксирует на осциллограммах, записываемых с тензодатчиков 13, положение сечения с минимальным зазором h клиновидного рабочего пространства.
Величина кольцевого зазора между несущим штифтом 11 и поверхностью радиального отверстия 9 для предотвращения затекания прессуемого материала в этот зазор обеспечивается на уровне 20-40 мкм.
Расположение площадки рабочего конца несущего штифта 11 на уровне оснований неровностей не изменяет условия на контактной поверхности обечайки 5.
Для получения приближенного к точечному контакта с прессуемым материалом диаметр площадки рабочего конца несущего штифта 11 выбирается в пределах от 3 до 5 мм, так как должен быть минимальным, но достаточным для обеспечения необходимой чувствительности силоизмерительного устройства 6 (с учетом характерных для работы пресс-грануляторов нагрузок и механических свойств прессуемых материалов). Регистрируемые усилия, действующие вдоль оси каждого несущего штифта 11, позволяют определить среднее нормальное радиальное напряжение на площадке его рабочего конца, принимаемое за напряжение в центре этой площадки. Следовательно, можно найти контактные радиальные напряжения во всех точках рабочей поверхности обечайки 5 (в пределах продольного сечения, в котором установлен несущий штифт 11). Использование в обечайке 5 одновременно нескольких силоизмерительных устройств 6 со смещением в них несущих штифтов 11 позволяет эффективно увеличить число учитываемых сечений по ширине обечайки 5 и получить более полную картину распределения нормальных радиальных напряжений.
Из вышеизложенного следует, что в силоизмерительном устройстве 6 функции элементов, передающих усилия, и функции чувствительных упругих (тензометрических) элементов конструктивно разделены. Применение тензометрических пластин 10, работающих на изгиб, и несущих штифтов 11, обладающих достаточной продольной устойчивостью, обеспечивает высокую точность измерения нормальных радиальных напряжений и повышает качество результатов определения силовой характеристики процесса.
Предлагаемая конструкция силоизмерительного прессующего ролика 1 позволяет определить изменение давления прессования как в тангенциальном направлении, так и по ширине рабочих органов пресс-гранулятора, в том числе в осевом направлении оценить степень неравномерности полученного распределения напряжений и определить изменение угловых координат характерных сечений клиновидного рабочего пространства.
Кроме того, компактность силоизмерительного устройства 6, возможность его размещения в пределах обечайки 5 делает конструкцию силоизмерительного прессующего ролика 1 более универсальной и позволяет использовать ее на лабораторных и промышленных пресс-грануляторах. Оснащение силоизмерительного прессующего ролика 1 автономным регистратором сигналов и бесконтактным цифровым токосъемником вместо сложных и в ряде случаев ненадежных токосъемных устройств контактного типа обеспечивает повышение точности и стабильности работы информационно-измерительной системы, упрощает конструкцию пресс-гранулятора с установленным силоизмерительным прессующим роликом 1.
Таким образом, в изобретении обеспечивается увеличение точности измерения нормальных радиальных напряжений (давления прессования) в клиновидном рабочем пространстве пресс-гранулятора, а также обеспечивается возможность определения непосредственно в процессе прессового гранулирования (как на лабораторных, так и на промышленных пресс-грануляторах) параметров напряженного состояния и их распределения не только в тангенциальном, но и в осевом (по ширине рабочих органов) направлениях, что обусловливает расширение технических возможностей устройства.