Удельные давления брикетирования некоторых продуктов

Вид продукта	s × 10^-6, Па (МПа)
Сахар	40
Чай байховый	100
Растворимый чай и кофе	45
Разваренные крупы	2–5
Концентраты	50–60

 

 Это усилие возникает в момент окончания формования брикета, т.е. в момент начала продвижения брикетов в прессующем канале. Оно передается на детали приводного механизма прессующей штанги. В этот момент шатун оказывается нагруженным сжимающей силой Р _АВ, которая направлена к оси шатуна под углом g (см. рис. 2.3). Это происходит потому, что шарниры приводного механизма имеют реальные, довольно значительные размеры. Поскольку пресс-машина силовая, то рассматривать шарниры А и В кривошипно-шатунного механизма как материальные точки, не имеющие размеров, в данном случае нельзя. Поэтому угол g обычно равен:

                             ,                                          (2.21)

где r_А и r_В – соответственно радиусы поверхности трения шарниров А и В, м;

           f – коэффициент трения в шарнирах;

          L – длина шатуна (расстояние АВ), м.

Зная величину g, можно определить и величину силы Р _АВ, Н

                             ,                                        (2.22)

где b – угол поворота шатуна (см. рис. 2.3);

r – угол трения между прессующей штангой и корпусом.

Определив силу Р _АВ легко подсчитать окружное (тангенциальное) усилие на кривошипе Р ₀, Н

                             ,                                    (2.23)

где a – угол поворота шатуна.

 

Индикаторная диаграмма

Выше было показано, что в момент времени, когда усилие прессования достигает наибольшего значения можно определить значение всех сил, действующих в приводном механизме и крутящего момента на приводном валу. Теперь можно проследить за изменением этих сил в процессе прессования  за один оборот кривошипа.

Построим диаграмму изменения усилий за один оборот кривошипа, где на оси абсцисс в масштабе m _s (м/мм) будем откладывать перемещение прессующей штанги, а на оси ординат – в масштабе m _r (Н/мм) значения действующих сил (рис. 2.4). Так как прессующая штанга за один оборот кривошипа совершает один двойной ход (влево и вправо), то условно оба эти перемещения изобразим на диаграмме одной прямой линией ОВ, где отрезок ОА характеризует перемещением штанги вправо, а отрезок АВ характеризует перемещение штанги влево.

Рассмотрим подробно действие сил при движении штанги во время рабочего хода, от крайнего левого до крайнего правого положения.

В начале движения, до перекрытия загрузочного отверстия штанга не испытывает заметного сопротивления, так как прессование продукта пи открытом загрузочном отверстии не происходит, а сила трения на продвижение прессующей штанги ничтожно мала в сравнении с другими силами и в принятом нами масштабе изобразится отрезком (по оси ординат), не отличным от нуля. Поэтому отрезок ОС равен фактически размеру загрузочного отверстия в направлении движения прессующей штанги, взятому в масштабе перемещений.

 

        

 

Рис. 2.4. Индикаторная диаграмма штангового

Брикетирующего пресса

 

Начиная от точки С усилие прессования увеличивается, т.к. загрузочное отверстие перекрыто и происходит сжатие продукта в закрытом объеме. Усилие возрастает до наибольшего значения в точке Д, как раз до того момента, когда закончится формование брикета. Однако для определения положения точки Д лучше рассмотреть процесс от крайне правого положения прессующей штанги, т.е. от точки А.

Так как в этот момент времени усилие от наибольшего значения в точке Е резко падает практически до нуля в точке А, поэтому можно провести вертикальную линию АЕ, равную величине наибольшего усилия прессования Р, Н, отложенного в масштабе сил.

Отрезок ДЕ – характеризует процесс продвижения брикетов в прессующем канале под действием постоянного наибольшего усилия на величину «в», равную размеру брикета, отложенному в масштабе перемещений.

Определив таким образом положение точки Д, соединяем точки С и Д прямой линией, показывающей равномерное нарастание усилия прессования[1].

Полученная ломаная линия ОСДЕАВ представляет собой диаграмму изменения сил, действующих на прессующую штангу и весь механизм ее привода за один оборот кривошипа со стороны прессуемого продукта. То есть фактически эта диаграмма сил сопротивления.

Пользуясь этой диаграммой легко определить не только нагрузку на все детали пресса в любой момент движения, но и энергоемкость процесса прессования, т.е. мощность, потребную для привода пресса.

Действительно, если механическая работа определяется обычно как произведение силы на пройденный путь, то по индикаторной диаграмме, на которой по осям отложены эти параметры, можно определить работу сил сопротивления А _с (Дж). Эта работа характеризуется площадью трапеции СДЕА и равна величине этой площади F _СДЕА (мм²), вычисленной по индикаторной диаграмме, умноженной на масштаб силы m _р (Н/мм) и на масштаб пути m _s (м/мм). Таким образом:

                                 .                                  (2.24)

Зная работу и время, t (с) за которое она совершена, легко найти мощность N (Вт), потребную на совершение этой работы,

                                                                                              (2.25)

Эта методика определения мощности, потребной на процесс, является общей для любой машины, у которой известна нагрузка на ведущем валу и ее изменение за один оборот этого вала, т.е. можно построить индикаторную диаграмму.

В частности, для брикетирующего пресса, как мы уже знаем, индикаторная диаграмма сил сопротивления за один оборот кривошипа представляет собой трапецию. Следовательно, учитывая вышесказанное и выражение (2.25), найдем

                                                             (2.26)

В нашем случае АС, ДЕ и АЕ выражают конкретные величины, а именно:

АС – ход прессующей штанги от момента перекрытия загрузочного отверстия до конца вправо. Если величина загрузочного отверстия равна а (м) (см. рис. 2.4), а ход штанги S (м), то АС = S – а (м);

ДЕ – величина перемещения брикетов в прессующем канале, равная толщине одного брикета, в (м);

АЕ – наибольшее усилие на прессующей штанге Р (Н) (см. рис. 2.3 и уравнение 2.20).

Таким образом, имеется возможность подставить в уравнение (2.26) вместо указанных отрезков натуральные величины перемещений в метрах и усилия в ньютонах, а потому не учитывать масштабы этих величин. Тогда согласно уравнению (2.26) получим значение работы сил сопротивления А _с (Дж):

                                                                           (2.27)

Так как эта работа совершена за один оборот кривошипа, вращающегося с частотой n _к (об/мин), то мощность, потребная на процесс брикетирования N (Вт) с учетом уравнения (2.25) и того, что время  будет:

                                                                       (2.28)

Мощность электродвигателя N _э (Вт) с учетом общего КПД - h ₀ и коэффициента запаса мощности К, равна

                                                                                      (2.29)

С другой стороны, электродвигатель привода прессующей штанги, имея на своем валу постоянный крутящий момент, создает на кривошипе постоянное окружное усилие Р _g (Н), величина которого может быть найдена из соотношения

                      ,                                         (2.30)

где N _э – мощность электродвигателя, Вт;

  n _к – частота вращения кривошипа, об/мин;

    r – радиус кривошипа, м;

  h ₀ – общий КПД привода.

Это усилие можно отложить на оси ординат диаграммы. В масштабе сил она изображается отрезком ОО ₁. Так как за один оборот кривошипа эта сила остается постоянной, то можно провести на диаграмме прямую горизонтальную линию О ₁ В ₁, которая фактически представляет собой график движущих сил.

Делая анализ полученной индикаторной диаграммы легко заметить, что за один оборот кривошипа существуют два принципиально различных случая движения прессующей штанги. На участках О ₁ F и А ₁ В ₁ движущая сила превышает силу сопротивления, а на участке FA ₁ сила сопротивления превышает движущую силу.

Любая площадь того или иного графика силы на индикаторной диаграмме, по своему физическому смыслу, как было показано выше, представляет собой работу, производимую этой силой, так как работа – это есть произведение силы на пройденный путь. Поэтому, площадь ОО ₁ В ₁ В представляет собой работу движущих сил, а площадь СДЕА – работу сил сопротивления в прессе за один оборот кривошипа.

На участке FA ₁ работа сил сопротивления (площадь F ₁ FДЕА) намного превышает работу движущих сил (площадь F ₁ FА ₁ А).

Разность этих двух площадей (площадь FДЕА ₁) обычно называют «избыточной работой сил сопротивления». Обозначим ее через Аи. Величину избыточной работы сил сопротивления обычно определяют по индикаторной диаграмме. Для этого определяют площадь f = F _FДEA1 (мм²):

                                                                      (2.31)

Умножив эту площадь на масштаб сил m _p, (Н/мм) и масштаб пути штанги m _s, (м/мм), определяют величину избыточной работы сил сопротивления А _и (Дж):

                                                                             (2.32)

Легко получить также выражение для определения величины А (Дж) и зная величины, отложенные на индикаторной диаграмме, т.е.

                                           (2.33)

Наличие избыточной работы сил сопротивления А _и приводит к тому, что ведущему звену в этот момент не хватает энергии для привода в движение механизма и его вращение замедляется. При этом угловая скорость его снижается до величины w _min (в точке А).

На других участках диаграммы АВ и О F ₁ нет работы А _и и работа движущих сил здесь намного превышает работу сил сопротивления. Ведущее звено приводного механизма, не испытывает заметного сопротивления, начинает разгоняться и его угловая скорость увеличивается до величины w _max (в точке F ₁).

Таким образом, в машинах этого типа существует неравномерность вращения ведущего звена механизма, которая количественно оценивается так называемым «коэффициентом неравномерности хода» - d. Величина этого коэффициента определяется по следующему выражению:

                           ,                                         (2.34)

где w _ср – средняя угловая скорость ведущего звена, с^-1.

Для пищевых машин d коэффициент неравномерности хода должен быть не более 0,02.

С целью поддержания коэффициента неравномерности хода на требуемом уровне в машинах этого типа устанавливается маховик. Маховик является аккумулятором энергии. Он запасает кинетическую энергию тогда, когда работа движущих сил превышает работу сил сопротивления и отдает ее ведущему звену тогда, когда работа сил сопротивления превышает работу движущих сил.

Для того, чтобы маховик мог выполнять указанные выше функции, он должен иметь определенные размеры, которые, в свою очередь, зависят от необходимого момента инерции маховика.