Методика инженерного расчета гранулирующего шнекового пресса для активации бентонитовых глин

Исследованиями НИИКМА [1] установлена высокая эффективность получения гранулированного бентонита методом химико-механической активации глин естественной влажности. Для промышленной реализации результатов исследований была разработана конструкция универсального гранулирующего шнекового пресса (экструдера) для переработки бентонитового сырья с различными природными свойствами.

На рис.1 показан гранулирующий шнековый пресс с приводом (Патент РФ на изобретение №2298470 от 10.05.2007). Пресс содержит корпус и шнек на приводном валу с лопастями для очистки формующей решетки, установленной в расширенном выходном окне корпуса.

Рис. 1. Установка для грануляции бентонитовой глины

Привод пресса 1 смонтирован на раме 2 и состоит из электродвигателя 3 с двухступенчатым цилиндрическим редуктором 4 и двух муфт: упругой с торообразной оболочкой 6 и кулачково-дисковой 5.

Несколько опытно-промышленных образцов прессов эксплуатировались на опытном заводе ОАО «НИИКМА» для выпуска небольших партий активированного гранулированного бентонита различного назначения из глин Миллеровского месторождения (Ростовская область).

Рациональные геометрические параметры, частота вращения и мощность двигателя привода таких машин определяются экспериментальным путем с использованием данных заводской практики и технической литературы [2,3].

Для определения производительности шнекового пресса с достаточной точностью можно пользоваться выражением:

п( D ² - d ²)( S - 5 ) n 60 р   ,

Q =-----------------------, т / час;

где    D - наружный диаметр цилиндрической выходной части шнека, м;

• d - диаметр основания шнека, м;

S - шаг шнека, м;

• 5 - толщина лопасти, м;

• n - частота вращения шнека, мин^-1;

• р - плотность материала на выходе из пресса, т/м³.

Скорость движения массы перед решеткой будет равна

V =------- 4Q , м / с.

3600 п ( D ² - d ²) р

На основе рекомендаций [2] частоту вращения принимают равной 20-40 об/мин. Используя распространенные стандартные редукторы с передаточным числом u =40 и электродвигатели с n_дв =1465 об/мин получаем n=n_дв/u =36.6 об/мин, для прессов с диаметром выходной части шнека D =100.. ,200мм.

Мощность двигателя для привода шнекового вала гранулирующего шнекового пресса зависит от большого количества факторов [3]: свойств формуемой массы, проворачивания, возврата и сжатия ее в прессе, трения массы о винт и корпус, качества поверхности шнека и корпуса пресса.

Многофакторность процесса пластификации глины осложняет разработку математической модели движения шнекового вала пресса, исследование которой позволило бы определить силовые параметры машины.

Рассмотрим некоторые случаи нагружения пресса для получения зависимостей энергетических параметров от геометрических характеристик шнека и кинематических показателей привода, а также механических свойств прессуемых глин.

Режим максимального нагружения пресса при его заштыбовке уплотненной полупластифицированной глиной характеризуется отсутствием поступательного движения материала и наибольшим вращающим моментом на приводе. В этом случае материал заполняет межвитковое пространство, превращая шнек в монолитный глиняный цилиндр, который при вращении взаимодействует с глиняной рубашкой корпуса.

Момент силы трения Т_тр можно определить из выражения:

Т тр = F mp D /2 , Н*м.

Сила трения f зависит от радиальной составляющей Р_г создаваемого прессом давления, взаимосвязанной с осевой составляющей Р а [2]:

Р = АР , МПа, r У a ,          , где ^ - коэффициент радиального давления,

F tp = 3)UPj 2 , Н, где   L - длина цилиндрической выходной части шнека, м;

• f₂ - коэффициент трения глины по глине.

С учетом полученного выражения момент определяется:

Т тр = D ² LEP_af , п /2, ^Н'м а потребляемая мощность Р :

Р = Т n n /30, Вт.

В режиме номинального нагружения уплотненный материал взаимодействует с лопастями шнека, при этом силу трения на передней поверхности одного витка можно определить по следующей формуле:

F TP = ^APa ^{COS a} cp f . , ^Н, где A - площадь одного витка;

• а_ср - угол подъема винтовой линии на среднем диаметре шнека;

• f 1 - коэффициент трения стали по глине.

Износ задней поверхности лопасти, как показывают наблюдения, составляют 30^50 ⁰/₀ от износа передней, поэтому можно предположить, что давление по задней поверхности составляет 0,7 Р . Тогда полная сила трения при взаимодействии со всеми витками цилиндрической спирали

F tp = 1,7 AP a cosa cp f , L / S , Н.

Поверхность шнека является линейчатой, неразвертываемой. Виток шнека можно приближенно представить в виде плоского кольцевого сектора [4], площадь которого равна

A =0,00218 в ( D i² - d i² ), м², где D 1 и d 1 - внешний и внутренний диаметры кольцевого сектора соответственно;

• в - центральный угол сектора.

Геометрические параметры ( в , D 1 и d 1 ) можно определить по универсальным формулам [4]. Однако в рассматриваемом диапазоне диаметров при углах а ~10⁰...13⁰ значения в ~ 330⁰, D 1 ~ 1,05 D , d 1 ~ 1,15 d , тогда

A =0,72[(1,05 D )² - (1,15 d )²], м².

Момент трения и потребляемая мощность

Т тр = 1,7 AP a cos² а р f 1 D cp L /2 S , Н-м,

Р = T n /30, Вт,

D cp = ( D + d )/2, м.

Методика инженерного расчета гранулирующего шнекового пресса была использована при создании технологической линии для производства гранулированного активированного бентонита, которая в настоящее время эффективно эксплуатируется на опытном заводе ОАО «НИИКМА». Полученные зависимости могут быть применены при расчете прессовых машин для грануляции и других пластичных материалов, например при производстве керамзита.