Розробка двовального лопатевого змішувача з одновальною шнековою фільтруючою головкою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка двовального лопатевого змішувача з одновальною шнековою фільтруючою головкою

Пащенко Андрій Олексійович

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури на кафедрі механізації будівельних процесів.

Науковий керівник Савченко Олександр Григорович,

кандидат технічних наук, доцент кафедри

механізації будівельних процесів

Харківського державного технічного університету

будівництва та архітектури

Офіційні опоненти : Олехнович Казимір Олександрович,

доктор технічних наук, професор кафедри будівельних

машин та обладнання Полтавського державного

технічного університету ім. Ю. Кондратюка (м. Полтава)

Маслов Олександр Гаврилович, доктор технічних наук,

професор, завідувач кафедри основ конструювання машин

Кременчуцького політехнічного інституту (м. Кременчук)

Провідна установа : Київський національний університет будівництва та архітектури

Захист відбудеться 29 березня 2000 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти України, за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська,40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найбільш актуальним завданням для вітчизняних виробників цегли та інших виробів (черепиці, керамічної плитки) є підвищення їх якості при максимальному зниженні собівартості, що є однією з умов виживання галузі.

Якість керамічних виробів у першу чергу залежить від властивостей сировини та ефективності її підготовки до формування. Нестача родовищ глини з необхідним складом властивостей призводить до необхідності використання багатокомпонентних керамічних шихт і змушує приділяти якомога більше уваги підготовці маси до формування, а саме - змішуванню та гомогенізації вихідних компонентів.

Сучасні технологічні лінії для підготовки до пластичного формування мають у своєму складі двовальний лопатевий змішувач з двовальною шнековою фільтруючою головкою, що обладнана пересувною торцевою решіткою. Ефективність підготовки до формування в агрегатах з фільтруючою головкою підвищується по мірі зменшення розмірів отворів у фільтруючій решітці. Недоліком такого агрегату є висока енергоємність, що не дає можливості зменшувати розміри отворів решітки для підвищення якості глинопереробки. Крім того, традиційна схема фільтруючої головки з торцевою решіткою не може використовуватись для переробки глин, що забруднені сторонніми включеннями, тому що швидке забивання отворів торцевих решіток потребує надмірно частих чисток, а через це - підвищеної трудомісткості обслуговування. двовальний змішувач керамічна маса

Усунення цих недоліків можливе при поєднанні двовального лопатевого змішувача і одновальної шнекової фільтруючої головки з радіальними решітками. Відсутність даних про можливі зміни в роботі складових агрегату не дозволяє сформулювати раціональні геометричні та кінематичні параметри агрегату, розрахувати енергоємність, навантаження на деталі й вузли. Для розробки ефективного глинопереробника, виконуючого змішування та гомогенізацію шихти, необхідні обгрунтування працездатності такого агрегату та його переваг, а також розробка методики розрахунку й виявлення меж раціональних параметрів, що потребує додаткових досліджень.

Мета роботи - розробка малоенергоємного агрегату для якісної підготовки керамічної маси до пластичного формування, який поєднує двовальний лопатевий змішувач та шнекову фільтруючу головку з радіальними решітками.

Згідно з метою поставлені і розв'язані задачі дослідження:

- вивчити закономірності процесу течії керамічної маси крізь фільтруючі решітки з отворами різної форми ;

- оцінити вплив розташування та розмірів решіток у шнековій фільтруючій головці на закономірності течії та параметри її робочого режиму ;

- розробити математичні залежності, що описують процес течії керамічної маси крізь отвори решітки під дією тиску, та використати їх як складові для математичної моделі процесу взаємодії шнека з фільтруючою решіткою;

- провести за допомогою математичної моделі оцінку можливих варіантів виконання фільтруючої головки;

- розробити методику розрахунку параметрів робочого режиму двовального лопатевого змішувача з одновальною шнековою фільтруючою головкою;

- виконати оцінку якості переробки керамічної маси при різному розташуванні решіток та з різними розмірами отворів;

- одержати фактичні техніко-економічні показники агрегату на промисловому зразку.

Наукова ідея. Підвищення якості підготовки керамічної маси до формування за рахунок поєднання лопатевого змішувача та фільтруючої головки з малим розміром отворів у решітках і зниження енергоємності агрегату внаслідок застосування раціональної схеми й оптимізації параметрів після вивчення течії керамічної маси крізь отвори решіток на базі досліджень реологічних властивостей глин.

Наукова новизна роботи полягає у розробці математичної моделі та методики розрахунку агрегату для ефективної підготовки керамічної сировини до формування з використанням реологічних показників для опису фізико - механічних властивостей керамічної сировини.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримані здобувачем самостійно: огляд та аналіз літературних джерел; розробка математичної моделі шнекової фільтруючої головки, аналіз конструктивних варіантів за допомогою математичної моделі; розробка методик та проведення експериментальних досліджень, аналіз їх результатів; впровадження результатів конструкції у виробництво. Особистий внесок в зроблені у співавторстві публікації наведений у списку опублікованих робіт на стор. 18.

Методи досліджень містять у собі теорії фізико - хімічної механіки дисперсних систем, прикладної механіки, методи математичної статистики та планування, математичні програми ЕОМ.

Достовірність визначається використанням стандартних критеріїв достовірності, забезпечується необхідним числом повторів та підтверджується збігом теоретичних та експериментальних досліджень при відхиленні фактичних і розрахункових даних не більше ніж 17 - 20 %.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалась в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (ХДТУБА) за програмою “Энерго - и ресурсосберегающие экологически чистые технологии производства стройматериалов и сжигания топлив промышленных отходов”.

Практичне значення роботи полягає у розробці методики розрахунку параметрів та рекомендацій до раціональної конструкції агрегату, призначеного для ефективної підготовки керамічної маси до формування у широкому діапазоні зміни продуктивності, який забезпечує низьку енергоємність і трудомісткість глинопереробки.

Упровадження результатів. Методика та рекомендації використано при розрахунку промислового зразка глинопереробника УСМ-49 для комплексу УСМ-55 продуктивністю 500 шт. цегли за годину, серійне виробництво якого налагоджено на АТЗТ “Червоний Жовтень”.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на чотирьох науково-технічних конференціях ХДТУБА: 51-й (1996р.), 52-й (1997р.), 53-й (1998р.) та 54-й (1999р.), на засіданні кафедри будівельних машин і обладнання ПДТУ, НПС Інституту проблем машинобудування, у ЦКБ “Строммашина”.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 7 робіт (одна з них депонована в ДНТБ України) загальним обсягом 25 сторінок; одержано позитивне рішення Держпатенту України по заявці на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4-х розділів, висновків, списку літератури з 58 найменувань, додатків А, Б, В, Д, Ж. Викладена на 197 сторінках машинопису, серед яких 156 сторінок загальної частини, 14 таблиць та 76 рисунків.

Економічна ефективність. Від упровадження одного промислового зразка глинопереробника у лінію керамічного підприємства очікується економічний ефект 24000 грн./рік у цінах 1998 року, термін окупності складає 10 місяців.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ присвячено аналізу конструкцій машин для глинопереробки шляхом змішування та гомогенізації продавлюванням крізь отвори у фільтруючих решітках, а також розгляду існуючих методик їх розрахунку. Вагомий вклад в теорію та практику процесів змішування та екструзійного продавлювання керамічної шихти при підготовці до пластичного формування внесли відомі вчені та інженери: В.А.Бауман, М.Я.Сапожников, М.П.Ребіндер, А.В.Туренко, А.А.Богомолов, А.П.Ільєвич, В.Д.Мартинов, Е.А.Ейлер, М.С.Комська, В.С.Фадєєва, С.Г.Силенок, та ін.

Оглядовий аналіз існуючих конструкцій продемонстрував доцільність і перспективність агрегатів, що складаються з лопатевого змішувача та шнекової фільтруючої головки.

Традиційним агрегатам, що складаються з двовального лопатевого змішувача і двовальної шнекової фільтруючої головки з торцевою решіткою, властиві деякі недоліки: відомо, що для ефективного змішування потрібен великий діаметр кола, описуваного лопатями змішувача, а для мінімізації енергоспоживання фільтруючої головки - діаметр шнекового нагнітача має бути щонайменшим. Розв'язати цю суперечність у рамках існуючої схеми неможливо. Крім того, традиційна схема не дозволяє використовувати найбільш ефективні з точки зору самоочищення радіальні фільтруючі решітки з накопичувачем сторонніх включень (далі - накопичувачем), відомих, наприклад, з патенту України №10544А.

Вибраним напрямком удосконалення традиційної схеми є поєднання двовального лопатевого змішувача з одновальною шнековою фільтруючою головкою, до складу якої входить радіальна решітка і накопичувач, що запропоновано у патенті України №19402. Саме ця конструкція агрегату вибрана як об'єкт досліджень і надалі в роботі буде називатися глинопереробником (рис.1).

Він містить у собі двовальний лопатевий змішувач 1, на приводному валу якого змонтована одновальна шнекова фільтруюча головка 2, що складається з шнекового нагнітача 3, радіальних фільтруючих решіток 6, накопичувача сторонніх включень 7 із рухомою торцевою стінкою 8 та пристроєм її переміщення 9. Шнековий нагнітач 3 виконано з двох секцій: конічної 4 та циліндричної 5. За допомогою регулюючих та утримуючих (12 та 13 позиція відповідно на перерізі А - А) гвинтів підтримується мінімальний зазор між решітками та шнеком, що є необхідним для ефективної очистки решіток від сторонніх включень. Розміщення випарної лопаті шнека на початку накопичувача сторонніх включень гарантує їх заштовхування у накопичувач. У зоні перевантаження керамічної масі з корита лопатевого змішувача у фільтруючу головку (11) можливе розміщення додаткового забірного шнека 14.

Глинопереробник працює таким чином. Керамічна маса, що була подрібнена заздалегідь, завантажується в корито змішувача, перемішується і просувається вздовж нього. Поблизу торця корита потоки маси з лопатевих валів завантажуються в міжвитковий простір конічної секції. Далі керамічна маса транспортується по корпусу фільтруючої головки, ущільнюючись, до циліндричної секції, яка створює тиск, достатній для фільтрації керамічної маси через отвори фільтруючої решітки. Сторонні включення зчищаються з радіальних решіток циліндричним шнеком і заштовхуються в накопичувач, видавлюючи з нього керамічну масу через отвори решіток. Після заповнення накопичувача сторонніми включеннями його торцева стінка відводиться за допомогою пристрою для переміщення. Ущільнені включення видавлюються з накопичувача і потрапляють у спеціальну порожнину для сторонніх включень. Після розвантаження накопичувача рухома торцева стінка повертається на місце, і процес підготовки керамічної маси до формування продовжується.

Аналіз методик розрахунку лопатевих змішувачів, а також шнекових нагнітачів, що взаємодіють з екструзійною формувальною системою, дав змогу відібрати ті з них, що найбільш підходять для розрахунку об'єкта досліджень.

Продуктивність змішувача, як це засвідчили результати аналізу методик, найдоцільніше визначати через теоретичну швидкість переміщення керамічної маси кожним із валів, ураховуючи відставання та перетоки емпіричним “коефіцієнтом транспортування”, а потужність - на базі емпіричного “коефіцієнта різання”. Однак слід чекати, що значення згаданих коефіцієнтів можуть відрізнятись від рекомендованих в існуючих методиках у зв'язку з конструктивними особливостями агрегату.

Робочі процеси в фільтруючій головці є результатом взаємодії керамічної маси та фільтруючої решітки під тиском, що створений шнековим нагнітачем. За сучасними уявленнями математично цю взаємодію можна описати системою двох рівнянь математичної моделі - “характеристикою шнекового нагнітача” та “характеристикою фільтруючої решітки”. “Характеристика фільтруючої решітки” - залежність витрат тиску на подолання опору руху глини, що продавлюється крізь решітку, від витрат глини, тобто залежність виду P = f(Q), а “характеристика шнекового нагнітача (шнека)” - залежність нагнітаючої спроможності шнека (продуктивності) від значення опору руху глини (тиску за випарною лопаттю шнека). Обидві “характеристики” насамперед залежать від властивостей пластичної керамічної маси, що переробляється, в'язкість якої має, як це загальновизнано, аномальний характер, а саме - суттєво зменшується при збільшенні градієнта швидкості течії глини.

Подібний підхід, використаний ак. А.В.Туренко при визначенні параметрів робочого процесу у шнековому стрічковому пресі, спирається на запропоноване ним поняття “ефективної в'язкості” _еф, яка визначається експериментально для кожного конкретного каналу. Залежність ефективної в'язкості м_еф від градієнта швидкості течії носить назву реологічної кривої (рис. 2). Її математична форма запису має вигляд:

_еф=_1·()^-, (1)

де ₁ - “показник консистенції”, Нс/м², визначає в'язкість при градієнті швидкості, який дорівнює одиниці; - “індекс течії”, який дорівнює котангенсу кута нахилу реологічної кривої в логарифмічних координатах до осі абсцис; - градієнт швидкості течії глини по каналу (R_г.к.; S_к - гідравлічний радіус та площа каналу течії ).

“Характеристику шнека” для шнекових стрічкових пресів у вищезгаданій методиці визначають з урахуванням трьох потоків: прямого _прям, зворотного _зв, та потоку убутку _уб., причому два останні потоки залежать від тиску, що його розвиває шнек:

= _прям - _зв - _уб (2)

Рис. 1. Глинопереробник: 1. Корито лопатевого змішувача. 2. Корпус шнекової фільтруючої головки. 3. Шнек. 4. Конічна секція шнека. 5. Циліндрична секція шнека. 6. Фільтруючі решітки. 7. Накопичувач сторонніх включень. 8. Рухома торцева стінка. 9. Пристрій переміщення торцевої стінки. 10. Випарна лопать шнека. 11. Зона перевантаження керамічної маси з корита змішувача у фільтруючу головку. 12. Регулюючі гвинти. 13. Утримуючі гвинти. 14. Додатковий забірний шнек.

Цей підхід з мінімальними корективами може бути використаний при визначенні “характеристики шнека” фільтруючої головки. Що стосується “характеристики фільтруючої решітки” (як з торцевим, так і з радіальним розташуванням), то залежностей для її реалізації немає.

Задачі досліджень були сформульовані таким чином, щоб пристосувати найсучасніші методи опису взаємодії робочих органів з керамічною масою до розрахунку глинопереробника і визначення його раціональних параметрів. Численні дослідження лопатевих змішувачів дозволяють використовувати відомі залежності до розрахунку лопатевого змішувача та зосередити найбільшу увагу на шнековій фільтруючій головці.

Другий розділ присвячено аналітичним дослідженням процесу течії керамічної маси з отворів у решітках, а також розробці математичної моделі шнекової фільтруючої головки агрегату.

“Характеристика фільтруючої решітки” визначалась на базі загального рівняння течії керамічної маси вздовж одиничного каналу, що пов'язує тиск у глині P та витрати крізь канал Q_к, і з урахуванням реологічних показників має вигляд:

, (3)

де l- довжина каналу, м;_к - гідравлічний радіус каналу, м; _к- площа перерізу каналу, м².

Базуючись на результатах попередніх досліджень течії глини крізь решітки, висунуто припущення про залежність показника консистенції ₁ у формулі 1 від гідравлічного радіуса отвору, для якого знімалась реологічна крива. Тоді формула для визначення ефективної в'язкості матиме вигляд:

, (4)

де m-коефіцієнт зміни гідравлічного радіуса:

 , (5)

де r_о.- гідравлічний радіус отвору, для якого було знято реологічну криву, м; R_о. - гідравлічний радіус отвору, для якого треба визначити ефективну в'язкість, м.

У подальшому отвір, на якому знімали первинну залежність Q = f(P), необхідну для визначення реологічної кривої, будемо називати “базовим”, а реологічну криву - “реологічною кривою базового отвору”.

Такий підхід дає змогу визначати “характеристики отвору” будь-якого розміру і конфігурації для конкретної глини, користуючись результатами експериментальних досліджень базового отвору. Запропонований підхід повною мірою стосується решіток, які є сукупністю одиничних отворів. Взаємовплив отворів у решітці можна ураховувати при визначенні гідравлічного радіуса решітки R_реш, що характеризує канал течії.

Експериментально зафіксовано, що, по-перше, швидкість витікання крізь центральні отвори торцевої решітки більша, ніж через периферійні, а по-друге, продуктивність групи отворів при фіксованому тиску більша від суми продуктивностей одиничних отворів. Це дало підставу ввести поняття умовного одиничного каналу течії, що формується в масиві глини перед решіткою та охоплює периферійні отвори решітки. Гідравлічний радіус решітки може бути пов'язаний з гідравлічним радіусом зазначеного каналу співвідношенням:

_реш.=_уК_ж.п. , (6)

де К_ж.п. - коефіцієнт живого перерізу решітки, що ураховує гальмуючу дію перегородок між отворами решіток; R_у - гідравлічний радіус “умовного одиничного каналу течії”, що дорівнює площі умовного одиничного каналу S_у , поділеній на його периметр p_у (рис. 3).

Таким чином, визначивши експериментально реологічну криву на базовій решітці (з кількістю отворів 7-10 і базовим гідравлічним радіусом r_реш.), можна визначити “характеристики фільтруючої решітки” будь-якої площі з такими ж розмірами отворів, як у базовій, за формулою

, Па, (7)

де Q_р- витрати крізь решітку,м³/с; S_{ж.п.реш.} - площа живого перерізу решітки, м²;

Залежність (7) одержана з формули (3) підстановкою в неї рівняння ефективної в'язкості (4), коефіцієнта зміни гідравлічного радіуса (5) та гідравлічних радіусів решіток - базової r_реш., та тієї, для якої треба знайти характеристику R_реш..

Отвори решіток можуть істотно відрізнятись за розмірами (від 4 до 30 мм і більше). Рівняння 7 доцільно перетворити таким чином, щоб воно давало змогу простежити вплив розмірів отворів на “характеристику решітки”

, Па, (8)

де S_1отв., R_1отв. - площа і гідравлічний радіус отвору решітки, що розраховується, м² та м; К_z - коефіцієнт, що враховує вплив кількості отворів у решітках (базової Z_б, та розраховуємої Z_р):

, (9)

У випадку, якщо реологічні показники визначені на одиничному отворі, то Z_б дорівнює одиниці.

У залежності, що визначає “характеристику решітки”, при радіальному розташуванні решіток вплив накопичувача сторонніх включень можна врахувати додатковим емпіричним коефіцієнтом К_н, що залежить від довжини накопичувача, а при його відсутності дорівнює одиниці:

,Па, (10)

де - гідравлічний радіус та площа щілини радіальної решітки( b_щ.ф. , h_щ.ф. - довжина ділянки решітки, на якій відбувається фільтрація, та висота щілини відповідно).

Для розрахунку гідравлічного радіуса та площі отвору потребує визначення довжина ділянки щільових отворів радіальних решіток, на якій відбувається фільтрація. Згідно з відомими дослідженнями шнекового стрічкового преса, у шнековій машині підвищення тиску спостерігається на останньому витку шнека. До цієї ділянки тиск у глині недостатній, і течії не відбувається. Максимально можлива довжина ділянки фільтрації b_щ.ф. дорівнює довжині міжвиткового каналу шнека: (де t_ш. - крок шнека, м; e- товщина лопаті шнека, м; - кут підйому гвинтової лінії шнека, град. ). Можна припустити, що залежно від конструктивного виконання шнека та умов його завантаження міжвитковий канал шнека і на останньому витку завантажений не повністю. З урахуванням цього

,м, (11)

де K₃ - коефіцієнт вузла перевантаження, що враховує особливості конструктивного вирішення вузла перевантаження глини з корита змішувача і дорівнює 1,6-1,9; К_р.с. - коефіцієнт розпушення глини при завантаженні у шнек, K_р.с.=1,4-1,6; К_у - коефіцієнт зменшення площі міжвиткового каналу конічного шнека:

, (12)

де D_ф - діаметр шнека у зоні фільтрації, м; d_ст. - діаметр маточини шнека, м; D_з -діаметр шнека на ділянці завантаження.

Що стосується “характеристики шнека”, то вірогідно, що при радіальному розташуванні решіток вищезгаданого потоку убутку не буде, бо розмір отворів решітки, як правило, більший від зазорів між шнеком та корпусом. З урахуванням цього “характеристика шнека” при радіальному розташуванні решіток буде мати вигляд

, (13)

де n - частота обертання шнека, об/хв.; L_ш, H_ш - глибина та ширина міжвиткового каналу шнека, м; к_з.ш. - ступінь заповнення гвинтового каналу шнека, к_з.ш.= 0,5 - 0,7; s₁ - довжина гвинтового каналу шнека на одному кроці, м; R_ф.ср.- середній радіус шнека, м; q - степеневий показник течії .

Потужність, що витрачається у шнековій фільтруючій головці, можна знайти, використовуючи відомі залежності для шнекового стрічкового преса.

Порівняння результатів розрахунку параметрів робочого режиму для шихт трьох типів з експериментальними даними, одержаними на шнековій фільтруючій головці, підтвердило адекватність моделі що пропонується (рис. 4). Відмінність між розрахованими та фактичними параметрами робочого режиму не перевищує 9 - 12 %.

За допомогою математичної моделі проведена оцінка варіантів конструктивного виконання шнекової фільтруючої головки (двовальна з торцевою решіткою - варіант 1, одновальна з радіальною та торцевою решіткою із шнеком постійного діаметра - варіанти 2 та 3, одновальна з торцевою та радіальною решіткою із шнеком змінного діаметра - варіанти 4 та 5). Результати досліджень (таблиця 1) показали перевагу схеми одновальної шнекової фільтруючої головки з радіальними решітками та двосекційним шнеком над традиційною двовальною шнековою фільтруючою головкою з торцевою решіткою (потужність знижується у 1,6 - 1,8 разів). Згідно з такою схемою розраховано дослідно - промисловий зразок глинопереробника, у якого діаметр кола, описуваного лопатями D_л=250 мм, а діаметр циліндричної секції шнека D_шн.цил.=200мм.

З використанням залежностей виконана оцінка впливу параметрів решіток і характеристик глини на основний показник процесу - тиск, що визначає енергоємність процесу та навантаження на робочі органи. Дослідження показали, що:

- прагнення поліпшити якість переробки шляхом зменшення розмірів отворів в решітці приводить до нарощування тиску: при зменшенні висоти щілини (діаметра отвору) у два рази тиск збільшується на 20-55 % (більші значення - для високопластичних глин);

- нестабільність вологості особливо відчутно впливає на тиск при роботі на відносно “жорстких” керамічних масах (вологістю менше ніж 18 %): якщо за базову вологість прийняти 21 %, то її зменшення на 2 та 3,5 % викличе збільшення тиску на 12 та 40 % відповідно;

- зменшення площі живого перерізу решітки у два рази (наприклад, внаслідок перекриття отворів сторонніми включеннями) приводить до збільшення тиску на 5-12 %, при подальшому зменшенні площі (ще на 25 %) тиск додатково збільшується на 10-30 % (більші значення для високопластичних глин);

- раптове збільшення продуктивності, можливе при роботі машини в технологічній лінії з нерівним живленням, призведе до незначного збільшення тиску.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесів: витікання глини крізь отвори решітки; змішування в змішувачі з розвантаженням шнеком через вікно у торцевій стінці; фільтрації в одновальній шнековій фільтруючій головці; а також оцінки ефективності переробки глини у шнековій фільтруючій головці.

Дослідження процесів витікання проводились із метою визначення особливостей “характеристик решіток” та впливу на них як конструктивних відзнак решіток, так і властивостей глин. Спеціальні серії експериментів були присвячені дослідженню впливу на реологічні показники глини її вологості, пластичності, розмірів, форми і кількості отворів у решітці, а також для підтвердження аналітичних залежностей і припущень при визначенні “характеристики решітки”. Ці експерименти проводились на стенді^*1, що являв собою циліндричний поршневий нагнітач, поршень якого (діаметром 125 мм), пов'язаний з гідроциліндром, приводився до руху від регульованої насосної установки. Фіксувались продуктивність (витрати крізь решітку) та тиск у глині. Факторами, що змінювались, були: кількість отворів, їх форма та розміри, вологість та ступінь пластичності глини.

Дослідження закономірностей руху глини та сторонніх включень, параметрів робочого режиму фільтруючої головки, оцінка ефективності переробки глин у фільтруючій головці, а також перевірка адекватності залежностей, запропонованих для визначення параметрів робочого режиму фільтруючої головки, проводились на лабораторній моделі та фільтруючій головці дослідно - промислового зразка агрегату. Лабораторна модель являла собою фільтруючу головку з діаметром шнека 100 мм, а її конструкція дозволяла радіальне або торцеве розташування різних решіток.

Дослідно - промисловий зразок агрегату був виконаний згідно із результатами розрахунку на математичній моделі. Продуктивність при вимірах фіксувалась зважуванням переробленої маси, а тиск - за допомогою тензоапаратури (тензодатчик, підсилювач УТН-1,осцилограф К-12-22). Використання тензоапаратури забезпечило точність вимірів значення тиску на рівні 10 -15 %.

Вивчення характеру руху керамічної маси та сторонніх включень під час фільтрації проведено шляхом візуального спостереження при малій частоті обертання шнека, яка регулювалась із застосуванням частотного перетворювача струму ТТЕ 1 -25 - 380 - 50 УХЛ - 4.

Ефективність переробки при використанні торцевих та радіальних решіток згідно з рекомендаціями фірми “Ажемак Текносевеко” (Іспанія) оцінювалась за такими критеріями: міцність на згин цегли-сирцю, усадка сирцю при сушінні, енергоємність процесу формування на еталонному поршневому пресі. Додатковими критеріями були тривалість роботи машини на глині, засміченій включеннями, без зупинки для чищення решіток, а також кількість переробленої за цей час глини.

Дослідження змішування проведені на дослідно - промисловому зразку двовального лопатевого змішувача з одновальною фільтруючою головкою при знятих фільтруючих решітках. Вимірювались продуктивність та потужність (за допомогою ватметра з комплекту К-50). Одержані значення дозволили знайти емпіричні коефіцієнти, необхідні для розрахунку продуктивності змішувача та його потужності - відповідно коефіцієнт транспортування та різання.

Змінювались: властивості глини, геометричні та кінематичні параметри змішувача (кут атаки лопатей, ступінь заповнення корита, частота обертання лопатевих валів).

Дослідження проводились на глинах Шостаковського, Дергачівського, Артемівського, Латнянського родовищ та шихтах, які складалися з них у різних пропорціях. Для кожної керамічної маси на поршневому реометрі знайдено її реологічні показники на базовій щілині 538 мм. Стабільність показників глини або шихти забезпечувалась неодноразовою переробкою у лопатевому змішувачі та фільтруючій головці. В деяких серіях використано глини з фіксованим відсотком включень ( до 3 %).

У дослідженнях процесу витікання глини крізь отвори решіток на поршневому реометрі знято характеристики решіток. Виявлено, що:

- тиск початку плину Р_п.п. залежить від гідравлічного радіуса отворів решітки, збільшується по мірі зменшення вологості і нарощування пластичності глини; майже не залежить від розташування решітки (торцеве або радіальне),а також зменшується по мірі нарощування кількості каналів у решітці до сталого рівня, який у дослідженнях досягнутий при 9 - 12 каналах;

- швидкість витікання глини при постійному тиску залежить не тільки від властивостей глин і гідравлічного радіуса каналів, але і від кількості щілин та їх взаєморозташування (швидкість збільшується при збільшенні кількості; якщо відстань між каналами більше двох їх гідравлічних радіусів, це збільшення незначне, по мірі наближення каналів один до одного швидкість збільшується на 15 - 40 %); швидкість витікання через одиничні щілини і циліндричні отвори однакова, якщо однакові їх гідравлічні радіуси.

Результати підтвердили справедливість припущень, висунутих у другому розділі, зокрема, про умовний одиничний канал, що формується в зоні перед решіткою, та стримуючу дію перегородок між отворами. Виявлено, що навіть незначне зменшення вологості (на 1-3 %) істотно (в 1,4-1,8 разів) підвищує показник консистенції ₁. Щодо індексу течії , який обумовлює “крутизну” (пологість) характеристики решітки, то він залежить насамперед від пластичності глини, зменшуючись при її нарощуванні. Показник консистенції ₁ для використаних глин дорівнював 150 - 250 кН·с/м², а індекс течії - від - 0,85 до -0,95.

Дослідження змішування на дослідно - промисловому зразку двовального лопатевого змішувача з торцевим розвантаженням виявили, що продуктивність змішувача обмежується темпом його розвантаження. Було перевірено три варіанти підвищення темпу розвантаження: за рахунок більшого кута атаки останніх трьох лопатей; більш частого розміщення лопатей у зоні розвантаження; розміщення на ведучому валу додаткового подаючого шнека. Найкраще зарекомендував себе останній варіант конструктивного виконання вузла перевантаження. Діаметр додаткового шнека в експериментах дорівнював діаметру кола, що описується краєм лопаті змішувача, крок дорівнював кроку встановлення лопатей, довжина - також одному кроку. Недоліком цього варіанта була можливість залипання глини у подаючому шнеку, особливо при високій її вологості (більше ніж 22 %). Для усунення цього недоліку та подальшого підвищення темпу розвантаження запропоновано додатковий шнек виконувати з максимально можливим діаметром, більшим, ніж діаметр кола, що описується лопатями змішувача, а на сусідньому валу розташовувати спеціальні прочищаючі лопаті (рис.5а.). Це рішення викладено у заявці № 99074075 на винахід “Глинопідготовлювач шнековий”, зареєстрованій 15.07.1999 р.

Продуктивність і енергоємність змішуючої частини глинопереробника залежать від вологості глини. При зменшенні вологості з 24 % до 16 % продуктивність зменшується на 35 - 45 %, а енергоємність на 30 - 35%. Зменшення і продуктивності, і енергоємності змішування відносно “сухої” глини можна пояснити тим, що на рівні вологості 19% глина наближується до сипучого матеріалу, роздробляється у зоні завантаження лопатями на окремі шматки, окочується та транспортується як гранули сипучого матеріалу.

Що стосується методики розрахунку продуктивності лопатевого змішувача, то зафіксований коефіцієнт транспортування К_т, що враховує всі фактори, які призводять до зниження фактичної швидкості переміщення матеріалу у кориті змішувача в порівнянні з теоретичною, дорівнював 0,31 + 0,05. Більші значення К_т зафіксовані при заповненому кориті та глинах більшої вологості. Розрахунок потужності, як свідчить аналіз результатів експериментів, може бути виконаним за традиційною методикою з використанням коефіцієнта різання К_р, який при переробці глин високої вологості дорівнює (2-3,5)10⁵ Н/м², а для глин з вологістю менше ніж 18 % - (1,6-2,0)10⁵ Н/м².

Дослідженнями на фільтруючій головці дослідно - промислового зразка агрегату та лабораторній фільтруючій головці встановлено, що:

- початкова зона циліндричної секції шнека тільки транспортує глину. Фільтрація крізь радіальні решітки починається на ділянці циліндричної секції, прилягаючій до накопичувача, меншій, ніж крок шнека. Тиск на ділянці фільтрації зростав від нуля до максимального значення за випарною лопаттю. Це підтвердило припущення, висунуті при теоретичному визначенні довжини ділянки фільтрації радіальних решіток (залежності 11-14).

При розміщенні випарної лопаті у зоні фільтрації тиск на 18-25 % нижче, ніж у випадку закінчення шнека у накопичувачі. Тому запропонована конструкція шнека з вікном у випарній лопаті, що дозволяє і транспортувати включення в накопичувач, і знизити енергоємність (рис. 5а).

- переробка у шнековій фільтруючій головці підвищує марочність виробів на 20 - 40 % у випадку переробки шихти і на 5-15 % у випадку переробки однокомпонентних глин; знижує розбіжність значень міцності виробів у 1,5-2,2 рази, а також знижує навантаження на прес на 5 - 10 %. При зменшенні висоти щілин у 2 рази (з 10 до 5 мм) міцність сирцю додатково підвищується на 25 - 30%, розбіжність значень міцності зменшується на 40 -70 %. Значної різниці між якістю переробки крізь радіальні або торцеві решітки за вищезгаданими критеріями не виявлено.

Найбільш рельєфно доцільність використання радіальних решіток перед торцевими проявляється при переробці глин, засмічених сторонніми включеннями. Кількість зупинок для чищення на малорозмірній моделі при використанні радіальних решіток становить один раз у 8 - 9 хвилин. Торцеві решітки забивались вже через 1,5-3 хвилини, що призводило до зниження продуктивності і зростання споживаної потужності у 1,6 - 2 рази.

Якщо у шнекової фільтруючої головки з радіальними решітками вчасно не розвантажувати накопичувач сторонніх включень, то в зоні, що прилягає до випарної лопаті, утворюється ущільнене нерухоме кільце включень. Включення, що знову надходять до накопичувача, упираючись у це кільце, залишаються у міжвитковому каналі шнека. Подальша робота шнекової фільтруючої головки неможлива у зв'язку з різким підвищенням питомої потужності та зусиль на шнек через защемлення його включеннями. Заміри потужності довели, що вона зростає надто нерівномірно: відносно незначний зріст на 15 - 20% до повного заповнення накопичувача, а потім, при його переповненні, різкий стрибок у 2-2,5 рази. При такому характері зростання потужності сформувати сигнал на початок розвантаження шляхом відстеження її граничного значення практично неможливо.

Базуючись на експериментально зафіксованому ефекті зміщення зони фільтрації вздовж решіток від накопичувача по мірі його заповнення, розроблено конструкцію глинозмішувача з датчиком переповнення накопичувача (рис.5б.). Ця конструкція оформлена заявкою на винахід №98073551 “Глинозмішувач”. Довжина радіальної решітки умовно розподілена на зону фільтрації “Ф” і зону вимірів “И”. Датчик, розміщений у зоні “И”, виконано у вигляді вилки 13, що змонтована з можливістю зворотно-поступального переміщення відносно радіальних решіток. Вилка 13 наділена гнучкою ниткою 14, прилягаючою до решіток у зоні вимірювань, та вимикачем 15. Торцева стінка 14 накопичувача сторонніх включень виконана у вигляді двох секцій, закріплених на траверсі 18, зв'язаної із шоками гідроциліндрів 10. Використання гідравлічного приводу дозволяє виконувати розвантаження автоматично за сигналом та позбутися необхідності в контролюючому операторі. Секції стінки змонтовані з можливістю переміщення по напрямних 12.

Рис. 5. Удосконалені конструкції глинопереробника: а) приклад виконання вузла перевантаження керамічної маси з корита змішувача та шнека з вікном у випарній лопаті (1 - корито лопатевого змішувача; 2 - конічна секція шнека; 3 - циліндрична секція шнека; 4 - випарна лопать шнека; 5 - вікно у випарній лопаті; 6 - накопичувач сторонніх включень; 7 - додаткова шнекова вставка; 8 - фільтруюча решітка; 9 - прочищаючі лопаті); б) приклад виконання датчика переповнення накопичувача сторонніми включеннями (10 - гідроциліндр переміщення торцевої стінки накопичувача; 11 - рухома секція торцевої стінки; 12 - напрямні торцевої стінки; 13 - рухома вилка датчика; 14 - гнучка нитка; 15 - вимикач; 16 - шток; 17 - лінійка; 18 - рухома траверса).

Датчик переповнення накопичувача працює таким чином. Під час роботи фільтруючої головки у нормальному режимі зона фільтрації “Ф” займає тільки частину довжини решітки “L” навіть при максимальному навантаженні. Зона на початку решіток (зона вимірювань “И”) у фільтрації не бере участі. Вилка 13 датчика переміщується зворотно - поступально відносно решітки у зоні вимірювань з ходом “Х”. У нормальному режимі гнучка нитка 14 не контактує з керамічною масою, оскільки фільтрації у зоні вимірювань немає. Після заповнення накопичувача, сторонні включення заповнюють міжвитковий канал шнека, який прилягає до накопичувача, а зона фільтрації зміщується у зону вимірювань. При переміщенні вилки гнучка нитка наштовхується на керамічну масу, що фільтрується у зоні “И”, та зрізає її. Зусилля різання деформує гнучку нитку. Через шток 16 та лінійку 17 деформація передається на вимикач 15, який формує сигнал гідроциліндрам 10, котрі піднімають траверсу 18 з секціями торцевої стінки 11 по напрямних 12. Сторонні включення виштовхуються з накопичувача, і після необхідної для цього витримки часу, котра задається реле часу, торцева стінка повертається на місце. Після розвантаження накопичувача процес фільтрації продовжується у нормальному режимі.

Значення тиску в інтервалі вологості глини 17 - 22 % на радіальних решітках з щілинами розміром 10 - 5 мм для промислового зразка складало 0,55 - 1,15 МПа. Питома потужність фільтруючої головки при переробці глин вологістю 17 - 22 % на радіальних решітках з щілинами розміром 5 мм становить 1,8 - 2,1 кВт/м³, що менше, ніж у аналогів.

Вимірами потужності, споживаної глинопереробником, встановлено, що існує діапазон вологостей глин, у якому при зміні вологості потужність майже не змінюється і для решіток з висотою щілин 5 мм становить 6,2 - 6,9 кВт для глин вологістю 17 - 22%. Ефект незмінності потужності можна пояснити тим, що при зменшенні вологості збільшується потужність, що споживається фільтруючою головкою, але зменшується потужність, споживана змішувачем.

У четвертому розділі викладено рекомендації щодо методики розрахунку двовального лопатевого змішувача з одновальною шнековою фільтруючою головкою у широкому діапазоні продуктивності агрегату.

Вихідними даними до розрахунку є: необхідна продуктивність “Q”, м³/год; проектований варіант решітки і розміри отворів у решітці; реологічні характеристики глини, що переробляється: показник консистенції “м₁”та індекс течії “ш”, знайдені за залежністю тиску від швидкості течії глини на базовому отворі, на реометрі для двох глин (низько- та високопластичної) з крайніми значеннями вологості.

Розрахунок агрегату ведуть у такій послідовності:

1) вибір геометричних та кінематичних параметрів лопатевого змішувача, що забезпечують необхідну ефективність перемішування при заданій продуктивності відповідно до відомих залежностей та рекомендацій;

2) перевірка продуктивності змішувача при вибраних параметрах;

3) розрахунок та вибір геометричних параметрів одновальної шнекової головки, що забезпечують мінімальну енергоємність продавлювання глини ,що фільтрується через отвори решітки;

4) розрахунок потужності, що споживається двовальним лопатевим змішувачем з одновальною шнековою фільтруючою головкою;

5) раціоналізація параметрів робочого режиму агрегату.

Визначення геометричних та кінематичних параметрів агрегату виконується на базі діаметра кола, що описується краєм лопаті змішувача D_л., згідно з відомими рекомендаціями до лопатевих змішувачів. Продуктивність розраховується з урахуванням значення коефіцієнта транспортування, який при сполученні двовального лопатевого змішувача з одновальною головкою дорівнює 0,26 - 0,36.

Мінімальний діаметр шнека у зоні фільтрації:

_, (14)

Кількість отворів у радіальній решітці:

, (15)

Параметри робочого режиму шнекової фільтруючої головки визначають, розв'язуючи систему рівнянь, що складається з “характеристики фільтруючої решітки” та “характеристики шнека”.

Оцінка економічного ефекту від використання запропонованого глинопереробника виконана за двома можливими варіантами: а) використання замість традиційного двовального лопатевого змішувача з двовальною шнековою фільтруючою головкою; б) у технологічній лінії, що не мала у своєму складі глинопереробника з фільтруючими решітками.

У першому випадку для заводу з річною продуктивністю 15 млн.шт. цегли /рік очікуваний річний ефект у цінах 1998р становить приблизно 10100 грн., (тривалість окупності 21 місяць), у другому - приблизно 24000 грн. (тривалість окупності - 8 місяців).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Теоретично обгрунтована та експериментально підтверджена працездатність та ефективність малоенергоємного глинопереробника для підготовки керамічної шихти до пластичного формування. Позитивний ефект забезпечується завдяки агрегатуванню двовального лопатевого змішувача з одновальною шнековою фільтруючою головкою, наділеною щільовими, радіальними, самоочищувальними решітками та накопичувачем сторонніх включень із системою автоматизованого періодичного розвантаження.

Виявлено, що швидкість течії крізь групу отворів (щілин) перевищує аналогічний показник для одиничного отвору, що пояснюється формуванням псевдоканалу з перерізом, охоплюючим групу отворів. Встановлена особливість течії використана у розроблених залежностях для визначення робочих “характеристик решіток” (залежності витрат глини крізь решітку від тиску) на базі реологічних показників глин. Похибка між розрахованим та фактичним значенням тиску не перевищує 10%, а за витратами - 15% (на окремих ділянках до 18%), що цілком допустимо, враховуючи крутий, експоненціальний вид “характеристики решіток” на ділянці великих швидкостей течії.

Створена математична модель робочого процесу у фільтруючій головці, яка передбачає спільне розв'язування двох рівнянь, що описують “характеристики”, - шнекового нагнітача та решітки, з використанням реологічних показників керамічних шихт. Адекватність моделі (з похибкою не більше ніж 15%) підтверджена експериментально на промисловому зразку з радіальними решітками шляхом паралельного вимірювання його продуктивності та тиску на ділянці фільтрації.

Використання моделі дозволило зіставити енергоємність різних конструктивних варіантів фільтруючих головок та оцінити виграш від використання одновальної головки з двосекційним шнеком (при співвідношенні діаметрів секцій 1,25) у 40 - 60% порівняно з традиційною двовальною з торцевою решіткою. Питома потужність промислового зразка глинопереробника при переробці шихт вологістю 17 - 20% крізь щілини 5 мм була на рівні 2,1 - 1,8 кВт/м³ (при тиску у глині 1,15 - 0,55 МПа), що менше, ніж у аналогів.

За результатами аналізу конкретних варіантів решіток зафіксовано, що найбільший вплив на величину необхідного робочого тиску чинять розміри отворів (збільшення на 70 - 180% при зменшенні отвору з 20 до 5 мм) та вологість шихти (на 7 - 15% на кожен відсоток зменшення вологості), у той час як живий переріз решіток впливає у значно меншому ступені.

5. Додаткова порівняльна оцінка ефективності торцевих та радіальних решіток у фільтруючій головці проведена з використанням двох лабораторних установок та дослідно - промислового зразка агрегату за критеріями: необхідний інтервал чистки фільтруючої головки від сторонніх включень та міцність (а також розбіг показників міцності) виробів, сформованих на еталонному поршневому пресі.

Встановлено, що:

- необхідний інтервал чистки радіальних решіток, що очищується пером шнека, в разі їх спільної роботи з накопичувачем сторонніх включень, значно більший, ніж у торцевих, причому цей показник залежно від засміченості шихт може відрізнятись у 3 - 5 разів;

- міцність зразків на згин збільшується на 25 - 30 % при зменшенні розміру щілини з 10 до 5 мм, а розбіжність значень міцності зменшується ще істотніше, причому цей ефект виявляється при переробці як мінімум двокомпонентних шихт, а на деяких низькосортних глинах без домішок практично відсутній.

6. За результатами експериментальних досліджень дослідно - промислового зразка агрегату:

- запропоновано конструкцію вузла перевантаження маси з корита змішувача у фільтруючу головку (шнекова вставка на ведучому валу, радіус якої менше осьової відстані між лопатевими валами на діаметр вала), що забезпечує найбільшу продуктивність та стабільну роботу агрегату;

- підтверджено можливість використання при розрахунках продуктивності та потужності змішуючої частини агрегату тих самих залежностей, що і для традиційних лопатевих змішувачів;

- визначено значення емпіричних коефіцієнтів транспортування К_т = 0,26 - 0,36 та різання К_р = (1,6 - 3,5)·10⁵ Н/м², що дозволяють врахувати особливості роботи змішувача з фільтруючою головкою; встановлено, що вказані коефіцієнти, а з ними продуктивність та потужність, зростають по мірі підвищення вологості керамічної шихти.

7. За результатами досліджень розроблено алгоритм та методику інженерного розрахунку глинопереробника, вміщуючі у собі: рекомендації до вибору розмірів робочих органів; оцінку показників робочого режиму (тиску, продуктивності, потужності) при варіаціях характеристик перероблюваної керамічної шихти; розрахунок потужності привода.

8. Результати досліджень упроваджені при розробці та доробці глинозмішувача УСМ - 49, що серійно випускається Харківським АТЗТ “Червоний Жовтень” у складі формувального комплексу УСМ - 55, призначеного до комплектування мініліній по виготовленню лицевої (в тому числі - фігурної) керамічної цегли та черепиці.

9. Річний економічний ефект від використання одного глинопереробника в технологічній лінії цегельного заводу потужністю 15 млн. шт. за рахунок підвищення якості переробки шихти і відповідного підвищення марки цегли складає близько 24000 гривень у цінах середини 1998 року.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Савченко А.Г., Пащенко А.А. Глинопереработчик для миникомплекса по производству стройкерамики. // Науковий вісник будівництва. Выпуск 1 - Харьков, 1997. - С.53 - 55. (Здобувачем досліджено вплив конструктивного виконання вузла перевантаження маси з корита двовального змішувача до одновальної фільтруючої головки на продуктивність та стабільність роботи агрегату.)

2. Савченко А.Г., Пащенко А.А. Методика построения характеристики фильтрующей решетки с учетом реологических свойств глин. // Науковий вісник будівництва. Выпуск 2 - Харьков, 1998. - С.67 - 70. (Сформульована методика побудови “характеристики фільтруючої решітки”.)

3. Савченко А.Г., Пащенко А.А., Третьяков А.Г. Повышение качества керамических изделий переработкой сырьевой шихты в фильтрующей машине. // Науковий вісник будівництва. Выпуск 2 - Харьков, - 1998. - С.70-72. (Здобувачем проведені експерименти по порівнянню ефективності переробки керамічних мас у розробленому глинопереробникуз традиційними машинами технологічних ліній.)

4. Савченко А.Г, Пащенко А.А. Исследование ДЛС с выгрузкой через окно в торцевой стенке. // Науковий вісник будівництва. Выпуск 3 - Харьков, - 1998. - С. 87-90. (Вивчені особливості роботи двовального змішувача спільно з одновальною фільтруючою головкою; встановлено діапазон зміни коефіцієнтів, що використовуються при розрахунку змішувача, сформульовані рекомендації щодо застосування цих коефіцієнтів при розрахунку.)

5. Савченко А.Г, Пащенко А.А. Усовершенствование глинопереработчика для подготовки керамической массы к формованию. // Вісник Харківського державного політехнічного університету. Збірка наукових праць. Випуск 62. - Харків: ХДПУ, 1999. - С. 180 -183. (На підставі виявлених недоліків дослідного зразка глинопереробника розроблені конструктивні рішення, що забезпечують роботу агрегату у автоматичному режимі при зменшенні питомої потужності.)

6. Савченко А.Г, Пащенко А.А. Методика расчета параметров рабочего режима шнековой фильтрующей головки. // Комунальное хозяйство городов., Выпуск 20.: Техника. - С. 56 -61. (Освітлена методика розрахунку та оптимізації параметрів робочого режиму шнекової фільтруючої головки з радіальними решітками, що враховує реологічні характеристики глини; проведені дослідження, які підтверджують її адекватність.)

7. Савченко А.Г., Федоров Г.Д., Пащенко А.А., Крот А.Ю. Глиносмеситель с одновальной шнековой фильтрующей головкой. Заявка на изобретение № 99020535 от 01.02.1999. (Зафіксована наявність зони фільтрації, та ефект її переміщення по мірі заповнення накопичувача, що використано при розробці датчика переповнення накопичувача глинопереробника. Відповідні признаки наведені у формулі винаходу.)