Проектирование функциональных модулей шнековых прессов робототехнических комплексов

УДК 622. 23. 054.53

В.И. Григорьев, К.Ю. Белоусов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ШНЕКОВЫХ ПРЕССОВ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Теоретически обоснована возможность повышения эффективности работы шнековых прессов за счет формирования анизотропного трения вязкоплсастичного материала о внутреннюю поверхность корпуса.

Шнековый пресс; шнековый вал; эффективность; глиняная масса

V.I. Grigorev, K.Yu. Belousov

DESIGN OF SCREW PRESS FUNCTIONAL MODULES OF ROBOTIC COMPLEXES

Possibility of increase of overall performance screw presses at the expense of formation of anisotropic friction viscous плсастичного a material about an internal surface of the case is theoretically proved.

Screw press; screw shaft; efficiency; clay weight

Повышение эффективности производства глиняного кирпича возможно только на основе комплексной механизации и автоматизации технологических процессов и отдельных операций. Весьма перспективным в этом направлении является создание робототехнических комплексов (РТК) на базе высокоэффективных функциональных модулей, способных в течение длительного периода времени осуществлять бесперебойное выполнение регламента технологического процесса на проектном уровне.

Одной из основных машин технологического комплекса по производству глиняного кирпича является шнековый пресс. В нем происходит формование глиняного бруса. Функции уплотнения и проталкивания глиняной массы к формующему органу - мундштуку осуществляет шнековый модуль пресса, состоящий из цилиндрического корпуса и вала с винтовой лопастью.

Основным недостатком шнековых прессов является проворачивание глиняной массы под воздействием крутящего момента, передаваемого (сообщаемого) ей шнеком, что уменьшает поступательное движение в направлении мундштука и, соответственно, производительность пресса.

Для снижения вращательной составляющей движения формуемой массы внутренняя поверхность корпуса шнекового модуля выполняется рифленой. Пазы между рифлями заполняются глиняной массой, что увеличивает силу трения формуемой массы о корпус модуля, так как коэффициент внутреннего трения глиняной массы больше коэффициента трения влажной глины о

металл корпуса модуля. Однако в процессе работы пресса поверхность контакта движущейся формуемой массы и массы, заполнившей пространство между рифлями, становится гладкой и производительность шнекового модуля пресса существенно снижается. Кроме того, повышение коэффициента сопротивления движению формуемой массы по внутренней поверхности корпуса модуля во всех направлениях приводит к увеличению удельных энергозатрат формования глиняного бруса.

Идея работы заключается в том, чтобы заставить глиняную массу в пространстве между рифлями двигаться в направлении формующих органов. Это позволит увеличить коэффициент сопротивления движению формуемой массы по внутренней поверхности корпуса модуля в направлении вращения шнекового вала и уменьшить коэффициент сопротивления движению массы в направлении продольной оси модуля, а также сохранить проектную производительность пресса в течение длительного периода времени.

В [1] рассмотрено равновесие элементарного объема формуемой массы, вырезанного из канала, образованного внутренней поверхностью корпуса, валом и лопастью шнека (рис. 1).

Рис. 1. Схема сил, действующих на объем формуемой массы в винтовом канале пресса Получено условие движения глиняной массы в винтовом канале шнека

1п

Р,

+ 2т/цR2 8Іп

пїш

= 0:

8іп а

где ц- коэффициент бокового давления (распора);

а - угол подъема винтовой линии шнековой лопасти;

Ь - угол между направлением движения глиняной массы и осью шнека;

Я - радиус лопасти шнека;

Г - радиус вала шнека;

/ц - коэффициент трения массы о внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса пресса;

/ш - коэффициент трения глиняной массы о металл шнека;

Р - давление на входе в винтовой канал;

кп - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств формуемой массы и геометрических параметров шнека;

П - число витков шнека;

2лпк + Р0 = Р - давление на выходе из шнека.

Анализ условия равновесия формуемой массы (1) показывает, что направление ее движения зависит от следующих параметров:

- коэффициента трения формуемой массы глины о шнек;

- коэффициента трения формуемой массы глины о внутреннюю поверхность корпуса;

- отношения давлений на выходе и входе в шнек;

- угла подъема винтовой линии шнека;

- количества витков шнековой лопасти;

- площади контакта формуемой массы глины с лопастью и ступицей шнекового вала;

- площади контакта формуемой массы глины с внутренней поверхностью корпуса шнекового модуля.

Рассмотрено равновесие глиняной массы в пространстве между рифлями. Рифли направлены по образующим цилиндра корпуса пресса (рис. 2). Получено условие равновесия массы в межреберном пространстве

afM cosb = f

где fм - коэффициент внутреннего трения глиняной массы; а - высота рифлей; с - размер полости между ребрами (рис. 2).

При afM COS b > f (с + 2a) будет иметь место движение глиняной массы между направляющими вдоль оси корпуса. В этом случае сила трения формуемой массы глины о внутреннюю

поверхность корпуса в направлении продольной оси пресса:

Fx = Pf4

где L - зазор между ребрами.

Сила трения материала о внутреннюю поверхность корпуса в направлении окружной скорости шнека:

F = P(cf + Ъ1' )t

у 4 J м J ц;

где ^ - шаг шнека

Из условий (3) и (4) коэффициенты трения формуемой массы глины о внутреннюю поверхность корпуса пресса в направлениях продольной оси пресса и окружной скорости шнека, приведенные к цилиндрической поверхности, образованной верхними гранями ребер и поверхностью материала, заполнившего межреберное пространство, соответственно равны

Рис. 2. Схема действия сил на глиняную массу в пространстве между ребрами

Л=і ц(с+2а+Ь)!(с+Ь)’

їу = (їм с+.їц Ь)/(с+ь у Получено условие для определения направления движения формуемой массы при їх < ї

Sц f P c0s(P - a) c°sO - a) + (Sш ^ +

S

ln

m

2pnc + Pn

P

+

у

+ S ц fpfш c0s(P - a)) x sinO - a) - S ц fr= max .

где W - угол между направлением движения формуемой массы и осью шнека;

S4 = tRd jcos a = 2pR2djsina - площадь контакта рассматриваемого объема массы с

внутренней поверхностью корпуса;

SnK - площадь поперечного сечения канала, образованного внутренней поверхностью

корпуса, боковыми гранями направляющих и поверхностью, соединяющей верхние грани направляющих;

S - площадь контакта рассматриваемого объема формуемой массы с поверхностью шнека;

ш

f = 2 cos2b+f2 sin2b - коэффициент сопротивления движению глиняной массы по

внутренней поверхности корпуса пресса.

Решение уравнения (6) производилось с помощью ПК, результат представлен на рис. 3, где кривая 1 (рис. 3) характеризует изменение направления движения глиняной массы в зависимости от отношения коэффициентов внешнего и внутреннего трения в винтовом канале пресса при fx < f,

кривая 2 - направление движения массы в винтовом канале пресса при fx = fy .

р°и1 80 70 60 50

30 20 10

\ \

S А У/ /7 С

ч. Ч У И /

>• у у Г \

г У у У \

/ у у 1! \ \

/ у у \ \

у

\ \

f„/L

О 0.1 0,2 0.3 ОА 0.5 0.6 0.7 0.8

Рис. 3. Зависимость направления движения массы глины в винтовом канале пресса от отношения коэффициентов внешнего и внутреннего трения массы:

1 угол направления движения массы при Л < /;

угол направления движения массы при

2 — — — —направление движения массы при /х — / \

3 кривая, полученная из зависимости

Кривая 3 получена из зависимости (2), определяющей условие движения глиняной массы в пространстве между направляющими внутренней поверхности корпуса пресса. Проблема снижения сил трения на направлении продольной оси пресса при движении глиняной массы по внутренней поверхности корпуса шнекового пресса рассматривалась в работе [2]. Однако данное изобретение имеет ряд недостатков, а именно: сложность конструкции; процесс замены обруча весьма трудоемок; нарушается герметичность корпуса; ребра передают от одного обруча к другому большой момент.

В связи с этим научно-исследовательской лаборатории «Механик» был изготовлен корпус для шнекового пресса (рис. 4).

Рис. 4. Модель шнековго пресса для производства глиняного кирпича пластическим способом

Данный корпус пресса состоит из двух частей - подвижной (рис. 5 а) и неподвижной (рис. 5 б).

а б

Р

Рис. 5. Корпус шнекового пресса а) подвижная часть; б) неподвижная часть.

Подвижная часть состоит из цилиндра с гладкой внутренней поверхностью 1 и звездочки 2 цепной передачи [2].

При формовании глиняной массы в зоне контакта трущихся поверхностей постоянно будет выделяться капиллярная влага, играющая роль смазки, что также будет снижать коэффициент внешнего трения глиняной массы о внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса пресса, что приведёт к повышению эффективности

функционирования шнекового пресса

ЛИТЕРАТУРА

1. Евстратова Н.Н., Апачанов А.С., Григорьев В.И. Влияние формы внутренней поверхности корпуса шнекового пресса на направление движения формуемой массы глины // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Вип. 14(127), серія гірничо-електромеханічна. -Донецьк ДВНЗ «ДонНТУ», 2007. - С. 128 - 132.

2. А. с. 8и №1201168, кл. В 30 В 9/14, 1985

Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13