03 февраля 2016г.
Одно из восьми приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации включает энергосбережение, реализация которого актуальна во всех отраслях экономики страны. В сельском хозяйстве для приготовления комбикормов используют, как правило, молотковые или роторные дробилки (измельчители), которые являются энергозатратными механизмами.
Наиболее энергоэффективным способом измельчения является способ переработки сырья путем одновременного воздействия на него сжатия и сдвига в закрытом объеме (экструзионное измельчение). В ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» разработаны конструкции универсальных измельчителей, исполнительным механизмом которых являютсякрупномодульныезубчатые передачи торцевого зацепления [1 – 3] и внутреннего цилиндрического зацепления [4-6]. Зубчатые передачи в данных измельчителях совмещают функции передачи крутящего момента и измельчения исходного сырья.Такие измельчители способны перерабатывать широкий спектр материалов, при этом затраты электроэнергии на выход 1тготового продукта не более 10 кВт∙ч.
На Рисунке 1 приведена принципиальная схема универсального измельчителя с торцевой зубчатой передачей (ТЗП), в корпусе которого эксцентрично расположена ведущая шестерня Z0 и концентрично - ведомое колесо Z1. Торцевые зубья шестерни и колеса образуют передачу. Исходный материал поступает через загрузочное окно в зону измельчения, откуда отводится через отверстия в сегментной решетке(матрице). В процессе измельчения материал подвергается одновременному сжатию и сдвигу в объемах, образованных впадинами между зубьями ведомого колеса и корпусом, которые закрываются зубьями ведущей шестерни. Измельчитель способен перерабатывать широкий спектр материалов, от хрупких до упруго-пластичных и многокомпонентных, за счет комплексного силового воздействия на сырье в закрытом объеме.
Рис.1. Конструктивная схема измельчителя с ТЗП
Торцевые зубчатые передачи обладают рядом преимуществ по сравнению с другими зубчатыми передачами. Модуль у них в 3–5 раза больше, чем в традиционных, передача компактна и технологична. Призматическая консольная форма торцевых зубьев обеспечивает высокую изгибную прочность. Передача может работать либо как традиционная, либо как исполнительный механизм измельчителя. Торцевая зубчатая передача обладает большим рабочим объемом между зубьями, сквозной впадиной и возможностью регулирования бокового зазора в зацеплении, что важно для эксплуатации и обслуживания измельчителей.
Однако торцевая зубчатая передачаиз-за консольного расположения зубьев имеет предельные значения по нагрузкам, что ограничивает ее технические характеристики, в частности по производительности. Практика показала, что при создании измельчителей на основе торцевой зубчатой передачи производительностью более 500 кг/ч резко увеличиваются массогабаритные характеристики.
Для устранения недостатков, присущих торцевой зубчатой передачи, была создана оригинальная конструкция крупномодульной зубчатой передачи внутреннего зацепления [4-6] и запатентованы конструкции измельчителей сырья (Патенты РФ № 2491128, № 2424057, № 2412006).
В конструкции такого измельчителя (Рисунок 2), в качестве исполнительного механизма, применяется цилиндрическая зубчатая передача внутреннего зацепления, имеющая оригинальный профиль сопряженных поверхностей зубьев. В колесе 2 профиль зубьев образован плоскими боковыми сторонами, а в шестерне 1 – выпукло-вогнутыми поверхностями, характеризующиеся тем, что рабочие поверхности шестерни образованы кривой, сопряженной к линии – образующей рабочий профиль зубьев колеса.
Рис.2. Схема измельчителя с зубчатой передачей внутреннего зацепления
Ведомое колесо 2 может быть установлено в корпусе 6 либо на подшипниках качения, либо на подшипниках скольжения, выполненных из синтетического материала (ZX 100К, изготовитель Германия). Материал ZEDEX характеризуется высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, не требует в процессе эксплуатации смазки, устойчив к воздействию химических веществ, может эксплуатироваться при воздействии температур от -180Сº до + 350Сº, имеет значительные преимущества перед такими материалами как бронза, тефлон, РА, РОМ и др.
В нижнем окне корпуса 6, устанавливается сменная сегментная решетка 3, через отверстия которой, измельченный материалотводится в тару. Отверстия в матрице 3 могут быть выполнены либо цилиндрическими, либо фильерами, применяемыми для экструзии измельченного материала. Подача исходного сырья из бункера в измельчитель может регулироваться с помощью либо заслонки, либо скоростью подачи шнекового транспортера.
С учетом CALS-технологий разработан программно-математический комплекс для создания специальных зубчатых передач измельчителей [5-6]. Этот комплекс в автоматическом режиме позволяет после задания исходных параметров произвести синтез передачи и получить рабочие чертежи ее составляющих.Созданный программно-математический комплекс позволяет исследовать влияние геометрических параметров передачи на ее работу в измельчителях сырья.
При выполнении Государственного контракта №02.740.11.0044 на тему «Создание параметрического ряда универсальныхизмельчителей, реализующих способ экструзионного измельчения, для
переработки сельскохозяйственного сырья» (2009-2011г.г.) были спроектированы, изготовлены и испытаны измельчители производительностью до 0,5 и 1,0 т/ч.
Для проведения исследований процессов измельчения сырья на базе измельчителя производительностью до 0,5 т/ч создан экспериментальный стенд (Рисунок 3) на базе техники Siemens,Hyundai,и технологийNationalInstruments[7].На Рисунке 3 обозначено: 1 – измельчитель; 2 – электродвигатель привода механизма измельчения; 3 – электродвигатель привода шнекового транспортера подачи сырья; 4 - загрузочный бункер с температурным датчиком и штуцером подвода пара; 5 – парогенератор; 6 – автоматизированное место оператора (ПК, монитор, клавиатура); 7 – шкаф управления на базе техники Siemens и Hyundai.
Рис.3. Общий вид экспериментального стенда для исследования измельчителей на основе крупномодульных зубчатых передач
Исследования показали, что измельчители на основе оригинальной конструкции зубчатой передачи внутреннего зацепления по сравнению с широко применяемыми в сельском хозяйстве и других
отраслях молотковыми (роторными) дробилками имеют следующие преимущества:
-меньшее на 35-45% энергопотребление;
-измельчают зерно любой влажности (молотковые – только с влажностью до 16%);
-легко измельчают овес (у молотковых дробилок даже по паспортным данным производительность на 30- 35% ниже, чем при измельчении пшеницы);
-безопасны,
так
как
являются низкоскоростными
машинами
и
не требуют
специальных мер
защиты (частота вращения ведущего
элемента
исполнительного механизма находится в диапазоне от 300- 600об/мин,против 3000 об/мин в молотковых дробилках).
Список литературы
1.
Василенко Н.В. Дезинтегратор для измельчения зерна и минерального сырья/Н.В.Василенко, В.А. Титов. – Комбикорма, 2007, №5, с.40.
2. Титов В.А. Использование возможностей торцевой зубчатой передачи для измельчения материалов/В.А. Титов, В.С. Секацкий, Н.А. Колбасина, Н.В. Мерзликина – Проблемы машиностроения и автоматизации, 2009, №4, с. 99-105.
3.
Колбасина Н.А. Современный подход к проектированию торцевых зубчатых передач и измельчителей материалов на их основе/ Н.А. Колбасина, Н.В. Мерзликина, В.А. Титов – Технологические процессы и материалы, Вестник СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева. Красноярск, 2010, вып.2 (28), с.134-136.
4. Титов В.А. Геометрия оригинальной цилиндрической передачи внутреннего зацепления для измельчителей материалов/В.А. Титов, Н.А. Колбасина – Проблемы машиностроения и автоматизации, 2010, №3, с.91-93.
5. Морозов Д.Н. Автоматизированное построение трехмерной параметрической модели для проектирования передачи внутреннего зацепления механизма измельчителя/Д.И. Морозов, Н.А. Колбасина, В.А. Титов – Проблемы машиностроения и автоматизации, 2010, №3, с.87-90.
6.
Титов В.А. Программно-математический комплекс для создания специальных зубчатых передач измельчителей/ В.А. Титов, Н.А. Колбасина, Н.В. Мерзликина, В.С. Секацкий, Ю.А. Пикалов//Изв. Самар. научн. центра Рос.академ. наук – 2011. – т.13. - №6. - с.246-251.
7. Титов В.А. Экспериментальный стенд на базе техники Simens технологий и NationalInstruments для исследования измельчителя материалов/В.А.Титов, А.А. Рыбин, Ю.А. Пикалов, Н.В. Мерзликина, В.С. Секацкий, Е.В. Чуева – Проблемы машиностроения и автоматизации, 2011, №1, с.119-124.
