совершенствование ТЕХНОЛОГИИ обработки прополиса с разработкой подпрессовщика к брикетному

Пусть u – перемещение подпрессовщика вниз от его верхнего положения (рис. 3).

При этом эксцентриковый вал подпрессовщика повернется на угол .

Рисунок 3 – Расчетная схема для определения положения подпрессовщика.

Тогда: u = r·(1-cos ) (1)

Дифференцируя уравнение (1), получим:

= r·к·sin (2)

За время валец повернется на угол или): (3)

Из формулы (1) имеем: . Подставив это выражение в (3) и решая относительно получаем:

(4)

Следует отметить, что материал сжимается практически без бокового расширения за счет плотного примыкания стенок бункера к торцевым поверхностям вальцов. При этом условии изменение плотности материала будет определяться изменением площадей (объемов), заключенных между подпрессовщиком и вальцами.

Определим значения характерных площадей при перемещении подпрессовщика на расстояние u и повороте вальцов на соответствующий угол , определяемый равенством (4).

Пусть S1 – площадь фигуры B'D'EC, ограниченной сверху и снизу дугами окружностей B'D' и CE, уравнения которых в системе координат Oxy имеют вид:

B'D': x2 +(y1-( - u))2 = (R+)2=R12 (5)

CE: x2 + y22 =R12 (6)

где: R – радиус вальцов;

– зазор между подпрессовщиком и вальцом в нижнем положении подпрессовщика, = 2r – ход подпрессовщика. Из (5) и (6) выразим:

(7)

(8)

Площадь фигуры, ограниченной кривыми (7) и (8):

(9)

Площадь фигуры D'D1'E1E:

(10)

При повороте вальцов на угол площадь фигуры E1EF изменится на величину S3() (рис.4).

Из рисунка 4 определим:

Рисунок 4 – Расчетная схема для определения плотности материала между подпрессовщиком и вальцами пресса.

(11)

Площадь всей фигуры E1EF равна:

(12)

Также изменится площадь в зазоре между подпрессовщиком и вальцом. Она станет равной:

(13)

Таким образом, общая площадь, в которой будет сжиматься исходный материал, будет равна:

S(u) = S1(u) + S2(u) + S3 + S (u) (14)

Подставив в формулу (14) выражения (9), (10), (11), (12), получим:

(15)

где определяется выражением (4).

Из формулы (15) можно выразить начальное значение общей площади:

(16)

Из условия сохранения массы в этой части объема имеем равенство:

0·S(0) = 1(u)S(u). Отсюда:

(17)

В крайнем нижнем положении подпрессовщика имеем:

= 2 – 1, u = = 2r,

Рисунок 5 – Расчетная схема для определения закона изменения плотности прополиса.

Соответственно, плотность материала в этой части объема будет равна:

(18)

Определим закон изменения плотности прополиса при сжатии площади EE1F в площадь FF1G (рис.5).

При повороте вальца на угол площадь EE1F убывает на S3(), определяемой равенством (11), и в то же время увеличивается на S5.

Определим площадь S5():

(19)

Текущее значение площади будет выражаться:

(20)

Подставив в уравнение (20) выражения (11), (12) и (19), получим:

(21)

Исходя из условия, что = 2 – 1 = 1, из выражения (21) имеем:

(22)

При = 0 из выражения (20) с учетом равенств (19) и (11) получим значение S1' (0):

(23)

Текущая плотность в этой части объема будет определяться выражением:

(24)

Для крайнего нижнего положения подпрессовщика выражение (24) примет вид:

(25)

При нагнетании материала площадью FF1G в ячейки закон изменения плотности определяется законом изменения площади фигуры FF1G. Согласно рис. 5, данный закон имеет вид:

(26)

тогда:

,

где с учетом равенства (19):

(27)

Конечное значение плотности материала в брикетах определяется выражением:

(28)

где, согласно формуле (26):

Реализованный в расчетах подход вполне приемлем для оценки плотности получаемых брикетов и энергоемкости процесса брикетирования.

Наибольшее нормальное давление между подпрессовщиком и вальцами возникает в нижнем положении подпрессовщика, когда плотность достигает наибольшего значения 1.

Давление между подпрессовщиком и вальцом определяется в зависимости от плотности. Примем эту зависимость по В.И. Особову в виде:

P = P0 (e – 1) (29)

где - относительное изменение плотности,

где: 0 - первоначальная плотность, кг/м3;

- текущая плотность, кг/м3.

P0 – коэффициент пропорциональности, характерный для каждого вида корма, имеющий размерность давления, Па;

а – коэффициент, зависящий от структурно-механических свойств прополиса, имеющий размерность удельного объема м3/кг;

Параметры и Р0 определяются в результате обработки экспериментальных данных при испытании на растяжение в условиях невозможности бокового расширения материала.

При = 1 из зависимости (29) имеем:

(30)

Распределение этого давления представлено на (рис. 6).

Равнодействующая давления по цилиндрической части поверхности подпрессовщика направлена по биссектрисе угла 2- 1.

Полная равнодействующая давления будет определяться выражением:

(31)

Рисунок 6 – Расчетная схема распределения давлений при нагнетании прополиса в ячейки прессующих вальцов.

По торцу подпрессовщика равнодействующая давления будет равна выражению:

1 = a·P1·h (32)

С силой давления связана сила сухого трения. Запрессованный в зазоре и в ячейках материал захватывается ячейками вальца и двигается вместе с вальцом. Сила трения направлена противоположно относительной скорости точек подпрессовщика и вальца. В крайнем нижнем положении подпрессовщика скорость его движения равна нулю.

Рисунок 7 – Расчетная схема для определения силы трения, действующей на подпрессовщик.

Следовательно, сила трения, действующая на подпрессовщик, направлена в сторону вращения вальца (рис.7) и равна:

= f · P1 (33)

где f – коэффициент трения спрессованного материала до плотности 1 о поверхность подпрессовщика.

Равнодействующая сил трения направлена по нормали к биссектрисе угла 2 - 1. Полную равнодействующую сил трения

определим, согласно (33) по выражению:

(34)

Рисунок 8 – Расчетная схема системы сил, действующих на подпрессовщик со стороны спрессованного материала.

В итоге имеем следующую систему сил, действующих на подпрессовщик со стороны спрессованного материала (рис.8):

Составляющая равнодействующей сил 1, , T по оси x равна нулю, а по оси y будет равна:

(35)

На вальцы действуют аналогичные противоположно

направленные силы и T. Кроме этого, на вальцы действует давление материала по контуру A0A1 с плотностью 1 и по контуру A1G с плотностью 1' (рис.9).

Рисунок 9 – Схема действия сил на вальцы по контурам A0A1 и A1G.

К этим силам надо добавить силу от сжатия материала в ячейку при ее переходе через точку G. Равнодействующие этих сил по аналогии с равенством (31) равны:

(36)

где .

Работа по сжатию элементарного объема dW равна PdV. Суммируя работу по характерным объемам с площадями S(u), S1'(), Sк(), определяемым по формулам (15), (21) и (26) соответственно, получим:

(37)

При движении подпрессовщика вверх работу совершают только вальцы по сжатию материала в объемах EE1F и FF1G, т.е. на стадии прессования материала от плотности 1 до 1' и от 1' до к. Кроме этого вальцы совершают работу по преодолению сил трения между подпрессовщиком и материалом. При движении подпрессовщика вниз давление изменяется от нуля до P1, следовательно, сила сухого трения изменяется от нуля до .

Таким образом, вся работа, с учетом работы по преодолению сил трения, совершаемая за один цикл (подсчитанная на одну сторону от оси симметрии) определяется выражением:

(38)

Средняя мощность за один цикл подпрессовщика, равный будет определяться по формуле

В четвертом разделе «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИсследованиЯ процессА ПОДАЧИ И ПОДПРЕССОВКИ прополиса ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ ВАЛЬЦОВЫМ ПРЕССОМ ФОРМУЮЩЕГО ТИПА с подпрессовщиком» изложена программа и методика исследований, приведено описание лабораторной установки, оборудования и приборов, представлены результаты экспериментов. Статистическая обработка полученных экспериментальных данных производилась с применением программ «Statistika 8.0» и «MathWorks MatLab v8.1.0».

В разделе приведена методика и результаты определения оптимальных параметров пленки для покрытия ячеек вальцов.

Установлено, что для предотвращения налипания прополиса на рабочие органы пресса необходимо использовать изолирующую пленку ПВХ типа «стретч» толщиной 20 мкм, которая должна подаваться на цилиндрическую поверхность вальцов. Данная пленка сохраняет целостность при деформировании на острых кромках матрицы и обладает минимальным сопротивлением растяжению при нагнетании прополиса подпрессовщиком в ячейки.

Для определения геометрических параметров подпрессовщика с целью оптимизации процесса прессования и получения брикетов постоянной плотности были проведены лабораторные исследования с использованием планирования эксперимента.

Для реализации эксперимента принят трехуровневый план второго порядка Бокса – Бенкина при двух изменяющихся факторах.

В качестве факторов в плане эксперимента принята высота загрузочных окон () и зазор между основанием подпрессовщика в нижнем положении и вальцами (u) (табл.1). Эксперимент проводился для подпрессовщиков с ширинами основания 2, 3 и 4 мм.

Таблица 1 – Факторы и уровни их варьирования.

Уровень и интервал варьирования	Факторы
	Высота загрузочных окон (), мм	Зазор (u), мм
Верхний уровень (+1)	20	3,0
Основной уровень (0)	15	2,0
Нижний уровень (–1)	10	1,0
Интервал варьирования	5	1