СТРУКТУРНОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВАЛЬЦОВО-МАТРИЧНЫХ ПРЕСС-ГРАНУЛЯТОРОВ С КОЛЬЦЕВОЙ МАТРИЦЕЙ

Кириленко Александр Сергеевич

ведущий инженер, ОГУ, г. Оренбург

E-mail: integral138@mail.ru

Ковриков Иван Тимофеевич

д-р техн. наук, профессор, ОГУ, г. Оренбург

E-mail: kovrikovit@mail.ru

В настоящее время активно развиваются существующие и разрабатываются новые промышленные направления, где применяются технологии прессового гранулирования предварительно измельченных материалов в пресс-грануляторах экструзионного типа с цилиндрическими рабочими органами. Специалистами [6] обоснована возможность гранулирования более 5000 различных видов сырья.

В сфере АПК в пресс-грануляторах осуществляют переработку агросырья при производстве гранулированных комбикормов и их отдельных компонентов, при производстве топливных гранул из отходов АПК (например, из соломы, лузги), а также с целью получения гранулированных промежуточных продуктов для повышения эффективности дальнейшего технологического процесса (например, гранулирование жмыха на маслоэкстракционных заводах).

Вместе с тем прессовое гранулирование – это энергоемкий процесс, и актуальность его совершенствования достаточно высока.

Одним из целесообразных путей совершенствования процесса прессового гранулирования является разработка новых и оптимизация существующих конструкций пресс-грануляторов.

В России и за рубежом наиболее распространены вальцово-матричные пресс-грануляторы с активной кольцевой матрицей и пассивными прессующими роликами. Однако за последнее двадцатилетие конструкции таких прессующих механизмов хотя и достигли более высокого технического уровня, но по структурным признакам изменились незначительно [5].

Задачи по повышению производительности и надежности пресс-грануляторов с кольцевой матрицей, снижению энергоемкости процесса гранулирования и трудоемкости обслуживания рабочих органов, обеспечению возможности регулирования качества получаемых гранул решаются в основном за счет:

• оптимизации числа (для прессующих роликов) и геометрических размеров рабочих органов прессующего механизма;
• оптимизации конструкции кольцевой матрицы (преимущественно оптимизации параметров фильер);
• совершенствования конструктивного исполнения неровностей на цилиндрической поверхности обечайки прессующего ролика;
• совершенствования конструкции водила прессующих роликов;
• оптимизации устройств, обеспечивающих выравнивание слоя материала под прессующими роликами;
• разработки систем регулирования минимальной высоты слоя прессуемого материала (минимального зазора) между прессующими роликами и кольцевой матрицей и силовых нагрузок на рабочие органы прессующего механизма;
• совершенствования системы крепления кольцевой матрицы к планшайбе пресс-гранулятора.

Морфологический анализ конструкций, анализ результатов параметрического синтеза существующих и вновь проектируемых пресс-грануляторов с кольцевой матрицей, а также анализ результатов экспериментальных исследований рабочего процесса в них позволяет выявить комплекс конструктивных и технологических недостатков и решить отдельные задачи структурного синтеза по совершенствованию конструкций рассматриваемых пресс-грануляторов.

Так, одним из существенных недостатков в рабочем процессе пресс-грануляторов с кольцевой матрицей является боковое выдавливание прессуемого материала (перемещение материала в направлении торцов рабочих органов и его выдавливание за пределы области контакта), которое предопределено тем, что контактные поверхности матрицы и каждого из прессующих роликов образуют незамкнутое клиновидное пространство. Как следует из анализа напряженно-деформированного состояния прессуемого материала в клиновидном пространстве, боковое выдавливание особенно выраженно в зоне отставания и менее интенсивно – в зоне выдавливания в фильеры матрицы. Однако в теории и методиках расчета пресс-грануляторов с кольцевой матрицей боковое выдавливание не учитывается.

В результате бокового выдавливания значительно снижается производительность пресс-гранулятора. Часть материала, выдавленная за пределы рабочей области, поступает на повторное сжатие, что увеличивает энергозатраты на гранулирование. Из-за бокового выдавливания имеет место неравномерное распределение контактных напряжений по ширине рабочих органов, которое является причиной ухудшения условий поступления прессуемого материала в зону отставания, разной производительности в крайних и центральных фильерах матрицы, неодинакового качества гранул в них и неравномерного эксплуатационного износа по ширине матрицы и обечаек прессующих роликов.

Процесс прессования без бокового выдавливания возможен только в условиях, когда контактные поверхности рабочих органов пресс-гранулятора образуют замкнутый контур поперечного сечения слоя продукта. Это может быть обеспечено путем создания дополнительных торцевых контактных поверхностей, позволяющих реализовать в клиновидном пространстве схему плоского деформированного состояния прессуемого материала.

С этой целью нами предложена конструкция пресс-гранулятора, в котором к планшайбе и конусному устройству для подачи сырья прикреплены сменные кольца, ограничивающие торцевые поверхности слоя прессуемого материала. Боковые поверхности ограничительных колец, обращенные к торцам прессующих роликов и контактируемые с продуктом, образуют с внутренней цилиндрической поверхностью матрицы кольцевую полость с входящими внутрь нее прессующими роликами [4].

При разработке пресс-гранулятора с торцевым ограничением клиновидного пространства были сформулированы требования, предъявляемые к конструкции ограничительных колец:

• ограничительные кольца не должны быть связаны с матрицей пресс-гранулятора;
• должна быть обеспечена возможность изменения высоты торцевых контактных поверхностей ограничительных колец для одной и той же матрицы (путем быстрой замены колец);
• должна быть обеспечена возможность регулирования зазора между боковыми поверхностями ограничительных колец и торцами прессующих роликов;
• должна быть обеспечена возможность изменения сопротивления выдавливанию материала через вышеуказанный зазор за счет регулирования величины или оптимизации его формы (контактная поверхность ограничительных колец вертикальная, наклонная, циклоидальная и др.);
• контактные поверхности ограничительных колец должны быть шероховатыми или иметь несквозную перфорацию;
• устройство не должно усложнять эксплуатацию пресс-гранулятора.

Кроме того, важно отметить, что в пресс-грануляторах, оснащенных ограничительными кольцами, становится более актуальным применение автоматических систем регулирования минимального зазора между прессующими роликами и кольцевой матрицей.

В результате торцевого ограничения клиновидного пространства дополнительными контактными поверхностями в виде сменных ограничительных колец обеспечивается:

• повышение производительности пресс-гранулятора за счет полного или частичного предотвращения бокового выдавливания при установившемся процессе работы;
• повышение производительности пресс-гранулятора в условиях плоской деформации прессуемого материала за счет увеличения окружной протяженности области его контакта с рабочими органами, создания оптимальных условий его поступления в зону отставания и расширения границ зоны выдавливания в фильеры матрицы при том же сопротивлении фильер;
• снижение энергоемкости процесса прессового гранулирования за счет исключения энергозатрат на повторное сжатие части материала, выдавливаемой за пределы рабочей области в пресс-грануляторе с незамкнутым клиновидным пространством;
• увеличение долговечности рабочих органов, выравнивание производительности в крайних и центральных фильерах матрицы и механического качества гранул в них за счет выравнивания эпюры контактных напряжений по ширине кольцевой матрицы и обечаек прессующих роликов, а также вследствие выравнивания слоя прессуемого материала перед прессующими роликами.

Другим существенным недостатком пресс-грануляторов с кольцевой матрицей является возможность проскальзывания прессующих роликов относительно контактной поверхности матрицы (работающей в режиме буксования), что обусловлено фрикционной передачей вращения от активной матрицы пассивным прессующим роликам через слой прессуемого материала.

Проскальзывание предполагает, что действительная угловая скорость прессующего ролика меньше его теоретической угловой скорости.

Явление проскальзывания способствует сгруживанию прессуемого материала перед прессующими роликами, препятствует формированию устойчивого валика гранулируемого сырья на входе в зону отставания, вследствие чего снижается производительность пресс-гранулятора. Процесс гранулирования в этом случае характеризуется дополнительным перетиранием сырья (имеющего определенную в соответствии с технологическими требованиями степень измельчения), а также повышенной дилатансией прессуемого материала. В результате увеличиваются энергозатраты на гранулирование, снижается однородность структурно-механических свойств сырья, ухудшаются качественные показатели гранул. Проскальзывание рабочих органов вызывает интенсивный и неравномерный износ их контактных поверхностей.

В современной классификации прессующих механизмов выдавливающего типа выделяют пресс-грануляторы с цилиндрическими рабочими органами, в которых исключается проскальзывание. Это шестеренные пресс-грануляторы с внутренним зубчатым зацеплением колеса-матрицы и прессующих колес [3]. Однако процесс гранулирования в них имеет ряд существенных особенностей, исследован незначительно, и такие пресс-грануляторы серийно не выпускаются.

С целью повышения производительности пресс-гранулятора, снижения энергоемкости процесса, увеличения долговечности рабочих органов и улучшения качества готового продукта нами разработана (получен патент на изобретение) конструкция пресс-гранулятора, в которой предотвращается проскальзывание прессующих роликов относительно контактной поверхности матрицы при сохранении преимуществ торцевого ограничения клиновидного пространства.

В данной конструкции к планшайбе и конусному устройству также прикреплены сменные ограничительные кольца, но они выполнены в виде зубчатых венцов с внутренними зубьями, а каждый прессующий ролик, установленный на водиле с возможностью вращения относительно своей неподвижной оси, со стороны торцов оснащен жестко соединенными с ним сменными цилиндрическими шестернями. Таким образом, ограничительные кольца и цилиндрические шестерни образуют внутреннее зубчатое зацепление, обеспечивая жесткую кинематическую связь между матрицей и прессующими роликами пресс-гранулятора. При этом изменение минимального зазора между контактными поверхностями матрицы и прессующих роликов в процессе работы пресс-гранулятора определяется возможностями зубчатого зацепления ограничительных колец и цилиндрических шестерен и осуществляется системой регулирования зазора в пределах допустимых отклонений величины межосевого расстояния в зубчатом зацеплении. При эксплуатационном износе контактных поверхностей рабочих органов новый диапазон варьирования минимального зазора устанавливается изменением числа зубьев, высотной коррекцией зубьев цилиндрических шестерен или ограничительных колец, а также путем оптимизации других параметров зубчатого зацепления.

Нами сформирована математическая модель процесса прессового гранулирования в пресс-грануляторах с торцевым ограничением клиновидного пространства дополнительными контактными поверхностями [1], [2]. Высокая эффективность предлагаемых технических решений подтверждается параметрическим синтезом математической модели, а также результатами проведенных экспериментальных исследований как на опытной установке – малогабаритном пресс-грануляторе ПГМ-05 (ФГБОУ «Оренбургский государственный университет», ОАО «Оренбургский станкозавод»), так и на промышленных прессах Б6-ДГВ (ОАО «Оренбургский комбикормовый завод», ОАО «Оренбургский маслоэкстракционный завод»). Нами сформулированы рекомендации, которые могут быть учтены при проектировании новых и модернизации существующих пресс-грануляторов с кольцевой матрицей, разработана методика расчета пресс-грануляторов с замкнутым клиновидным пространством.

Предлагаемые направления совершенствования процесса прессового гра­нулирования отвечают критериям ресурсосбережения и энергоэффективности.

Список литературы:

1. Ковриков И. Т., Кириленко А. С. Математическое моделирование рабочего процесса в вальцово-матричном пресс-грануляторе с торцевым ограничением клиновидного пространства / И. Т. Ковриков, А. С. Кириленко // Политематический сетевой электронныйнаучный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2012. – № 01(75). – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/01/pdf/42.pdf(дата обращения: 15.02.2012).
2. Ковриков И. Т., Кириленко А. С. Повышение производительности пресс-грануляторов путем ограничения рабочего пространства дополнительными контактными поверхностями // Известия вузов. Пищевая технология. – 2011. – № 5—6. – С. 78—81.
3. Ковриков И. Т., Кириленко А.С. Совершенствование шестеренных пресс-грануляторов / И. Т. Ковриков, А. С. Кириленко // Вестник мясного скотоводства. Материалы международной научно-практической конференции. – Оренбург, 2008. – Вып. 61. Том II. – C. 114—121.
4. Пат. 2412819 РФ, МПК⁸ B30 B11/20, B28 B3/18. Пресс-гранулятор / Ковриков И. Т., Кириленко А. С. – № 2009145789/02; заявл. 09.12.2009; опубл. 27.02.2011, Бюл. № 6. – 10 с.
5. Технологическое оборудование предприятий отрасли (зерноперерабатываю­щие предприятия) / Л. А. Глебов [и др.]. – М.: ДеЛи принт, 2006. – 816 с.
6. Refinement of solid matters by means of agglomeration by compression with flat die pelleting presses [Электронныйресурс] // AMANDUS KAHL GmbH & Co. KG. – Режимдоступа: http://www.akahl.de/akahl/files/Prospekte/Prospekte_englisch/1333-Pressgranu-6e.pdf(датаобращения: 18.10.2011).