Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и экспериментальные исследования перемешивающей способности вибрационного аппарата. Монография
.pdf
н
fz +=
тр
, (6.24)
н
где F – сила трения;
грузка соответственно; [] – сдвигающее усилие, z – начальное напря-
жение сдвига.
Дерягин [48] предположил новый закон, основанный на той же
картине неровностей. По теории Томплинсона, упомянутой в работе [49], трение есть контакт между отдельными парами молекул этих
тел. Упомянутые теории имеют свои достоинства и недостатки [49, 50].
Необходимо отметить, что пока еще нет общей теории такого обыденного и внешне чрезвычайно простого, а по существу сложного и многогранного явления, каким является трение.
Различают следующие виды трения:
− статическое трение характеризуется постоянством сдвигаю-
щего усилия, величина которого равна максимальной величине силы
трения покоя;
− динамическое трение характеризуется зависимостью сдвигаю-
щей силы при данном давлении от скорости деформации. Трение
в начале движения несколько больше, чем при дальнейшем движении [49, 51];
− сухое трение между идеально чистыми и прошлифованными
поверхностями;
− трение со смазкой подразделяется на два вида: 1) граничное
трение, когда толщина смазки не превышает сферу молекулярного взаимодействия или имеется адсорбированная пленка на поверхности;
2) гидродинамическое трение имеет место при большой толщине
смазки, при этом статический коэффициент трения равен нулю;
− внешнее трение возникает на границе двух твердых тел или
дисперсного и твердого тела при наличии сдвигающего усилия [51, 52];
− внутреннее трение характерно для сыпучих дисперсных тел,
способность таких тел сохранять придаваемую им форму и воспринимать растягивающие усилия определяется внутренним трением и сцеплением между частицами [44].
Из вышеперечисленных явлений, сопровождающих трение, могут иметь место все или только часть из них, одни будут превалировать
над другими. Все это зависит от условий протекания и от стадии процесса трения.
, N – нормальное напряжение и нормальная за-
61
На коэффициент трения оказывают влияние большое количество
внешних факторов, на которые указывал Кулон и действия которых
подтверждены рядом исследователей [44, 48, 49, 50, 51, 53, 54]. Коэффициент трения зависит от рода материала трущихся поверхностей [51, 53], чистоты обработки поверхности [55], температуры. Причина влияния температуры – изменение механических свойств материалов трущихся поверхностей, плавление, свойства смазки. Этот фактор
является определяющим при сравнении результатов различных авторов
по коэффициенту трения [53, 54, 56, 57]. Влияние скорости сдвига на
коэффициент трения тесно связано с изменением температуры, износом, физико-механическими характеристиками материалов [44, 51, 53,
58, 59]. Увеличение сцепляемости замечено и при вакуумировании [1],
и с электризацией за счет трения [60]. Уменьшение коэффициента трения под действием вибрации объясняется снижением сцепляемости частиц за счет инерционных сил колебания. При этом необходимо отметить, что общая затрата энергии (колебание и трение) остается такой же,
как и без колебания [61].
Определение коэффициента трения по сопротивлению сдвигу путем кольцевого среза производится на приборах с неограниченной
плоскостью сдвига, которые исключают возможность фиксирования
напряжения сдвига до полного окончания процесса [52]. Этот метод
был использован в работе при определении коэффициентов трения различных пар материалов (металл/пищевой порошок) при давлениях
намного меньших давления прессования или разрушения шашек.
6.3. Описание экспериментальных установок и методики
исследования динамики вибрационных машин
6.3.1. Методика эксперимента по определению коэффициента
внешнего и внутреннего трения пищевых порошков
Экспериментальные работы выполнялись на сыпучих продуктах.
Основным требованием к применяемым продуктам было различие коэффициентов внешнего трения при незначительной разнице насыпного
веса. Для выполнения этих условий применялись порошки черноплодной рябины, черной смородины, репчатого лука и картофеля различной
влажности. Установка для определения коэффициента трения состоит
62
из станины, на которую устанавливается металлическая пластина.
( )
нсд
f =
На эту пластину устанавливается рамка для заполнения пищевым порошком. Насыпанный порошок нагружается фиксированной нормальной нагрузкой. К рамке через трос и блок прикладывается усилие сдвига
рамки. Фиксируется величина этого усилия при различных значениях
нормального давления.
Коэффициенты внешнего и внутреннего трения определяются
графо-аналитическим методом. Строится линейная зависимость сила
сдвига (τсд) / нормальная нагрузка (σн) при различных значениях последней, находится уравнение прямой
методом наименьших
квадратов. Угловой коэффициент этой линейной функции будет искомым коэффициентом внешнего или внутреннего трения.
6.3.2. Экспериментальная установка с непрерывной записью
крутящего момента при виброперемешивании
Для изучения динамики виброперемешивании была собрана установка ВС-10 на основе вибромельницы без мелющих тел. Общий вид
установки ВС-l0 представлен на рис. 6.3. Привод корпуса 1 вибросмесителя осуществляется через систему гибких валов 8, динамометр 9
и вариатор 10 от электродвигателя 12 мощностью 4,5 кВт с числом оборотов n = 2880 об/мин. Между динамометром, вариатором и электродвигателем связь осуществляется через клиноременную передачу. Вариатор позволяет менять частоту колебания корпуса в пределах 20–
100 Гц с помощью сменных шкивов.
Амплитуда колебаний корпуса зависит от числа съемных секторов дебаланса на валу ротора вибросмесителя. Амплитуда менялась
в пределах 0,5–2,0 мм. Такой предел установлен экспериментально [28]
и обусловливался закономерностями виброперемешивания. Установка
снабжена ваттметром Н395, предназначенным для измерения активной
мощности. Погрешность системы регистрации мощности при 3–4 параллельных опытах составляет 1,5 % согласно паспорту прибора.
Работа с различными материалами и процессами требовала создания в смесителе определенного постоянного температурного режима.
Корпус вибросмесителя снабжен рубашкой обогрева. Температурный
режим создавался при помощи термостата ТС-16. Избыток тепла теряется в окружающую среду через поверхность шлангов и внешнюю поверхность рубашки корпуса.
63
Контроль и регистрация температуры производились термопарами в трех точках:
1) вход теплоносителя в рубашку вибросмесителя;
2) выход из рубашки;
3) внутри корпуса смесителя (температура массы).
Температура непрерывно записывалась электронным потенциометром КСП-4, датчиком к нему служили термопары ХК.
Рис. 6.3. Экспериментальная установка ВС-10
Погрешность способа складывается:
− из погрешности потенциометра КСП-4 Δ1 = 0,5 % (по паспорту);
− погрешности графической обработки диаграмм: Δ2 = 2 % (по
максимальному отклонению наиболее вероятного значения величины).
Общая погрешность способа записи температуры составляет
Δ = 2,5 %, а при 3–5 параллельных опытах – 1,0–1,5 %.
6.4. Результаты экспериментальных исследований динамики
вибрационных машин
6.4.1. Влияние динамических характеристик вибросмесителя
на потребляемую мощность
График зависимости значений коэффициента внешнего трения
от влажности для порошков из растительного сырья по стали
12Х18Н10Т, полученных экспериментально, представлен на рис. 6.4.
64
Поскольку sin 2 зависит от коэффициента внешнего трения за-
22
2
−
=
p
rq
А
грузки о стенку корпуса согласно уравнению (6.4), то sin 2 соответственно зависит от влажности перерабатываемого продукта. Поэтому
расчет мощности на колебания загрузки с корпусом удобно вести табличным способом, определяя значения мощности в соответствии с изменением влажности материала в процессе сушки.
Рис. 6.4. Зависимости коэффициента внешнего трения
от влажности для порошков из растительного сырья по стали марки
12Х18Н10Т
6.4.2. Влияние параметров вибрации на величину мощности,
затрачиваемой при виброперемешивании материалов различной
влажности
Из структуры формулы (6.22) видно, что мощность пропорциональна амплитуде в первой степени и частот в третьей степени. Это будет ясно, если в первую часть уравнения (6.22) подставить амплитуду
для случая вынужденных колебаний:
. (6.25)
65
Проверка влияния амплитуды колебаний корпуса на мощность,
затрачиваемую при виброперемешивании, производилась при постоянной частоте вибрации ν = 60 Гц и амплитудах 0,64; 1,03; 1,44; 1,83 мм
на установке ВС-10. С увеличением амплитуды колебания сокращаются
время нагрева массы до температуры сушки и время сушки. Причиной
такого изменения температурного режима массы является возрастание
интенсивности движения массы с увеличением амплитуды, что ведет
к улучшению условий теплообмена между корпусом и массой, а также
большему прогреву массы за счет трения. Интенсификация этого движения соответственно требует дополнительных затрат энергии.
На рис. 6.5 приведены графики изменения мощности при различных амплитудах в ходе процесса получения порошка картофеля до установления конечной влажности материала 5–6 %.
Рис. 6.5. Изменение мощности в процессе получения порошка
картофеля при частоте ν = 50 Гц и различных амплитудах
колебаний
На рис. 6.6 представлены графики зависимости максимальных,
конечных и начальных значений мощности от амплитуды по кривым
рис. 6.5.
66
Эти графики могут быть аппроксимированы уравнениями:
24305190 ,А,N
нач
+=
18503560 ,А,N
кон
+=
, (6.26)
. (6.27)
Линейную зависимость мощности от амплитуды колебаний подтверждают результаты экспериментальных опытов, проведенных на
сыпучих материалах.
Рис. 6.6. Зависимость максимальных, конечных и начальных
значений мощности от амплитуды при частоте колебаний ν = 50 Гц
Зависимости мощности для различных материалов от амплитуды
по результатам этих экспериментов приведены на рис. 6.7.
Влияние частоты вибрации корпуса в пределах 25–75 Гц на величину потребляемой мощности определялось при постоянной амплитуде
А = 1,44 мм на примере картофеле и на той же установке.
На рис. 6.8 приведены графики изменения мощности во время перемешивания при различных частотах вибрации. На этом рисунке отсутствуют графики изменения коэффициента трения во времени. Характер этих зависимостей при различных частотах подобен. Определяющие точки кривых сушки нанесены на графиках мощности, как и на
рис. 6.5 в случае переменных амплитуд с теми же обозначениями.
67
( )
AfN =
Рис. 6.7. Зависимость
1 – незагруженный смеситель; 2 – 10 кг неподвижного груза;
3 – картофель влажностью 30 %; 4 – картофель влажностью 5 %
Характер влияния частоты на изменение влажности такой же,
как и в случае амплитуды: с увеличением частоты значительно ускоряются процессы нагрева и сушки материала за счет интенсификации
движения загрузки. При частоте 25 Гц (кривая 5) после максимума
имеется некоторый постоянный участок. Начало этого участка совпадает с влажностью 60 %. При этой частоте отсутствует циркуляция
массы [61], имеется только колебание ее частиц. Теплообмен слабый
и идет преимущественно за счет теплопроводности массы. Спад мощности до полного удаления влаги можно объяснить уменьшением количества жидкой фазы, которого достаточно для снижения сопротивления массы колебанию до постоянного значения и снижением при
этом значений коэффициента трения перерабатываемого материала
с корпусом аппарата.
Совпадение максимальной мощности при частоте 72 Гц с началом сушки (с осью ординат) объясняется, вероятно, следующим образом. Циркуляция массы с большой скоростью, большое число соударений между частицами и со стенкой в единицу времени делают нагрев
массы до температуры сушки очень кратковременным.
для сыпучих материалов:
68
Это время соизмеримо с погрешностью прибора по времени. Оно
.,,N
,,,N
,,,N
кон
max
нач
2790102911
3500103312
2350103572
38
38
38
+=
+=
+=
−
−
−
мало по сравнению с общим временем сушки, поэтому максимальная
мощность совпала с осью ординат. При увеличении частоты колебаний
сокращается время сушки.
Рис. 6.8. Изменение мощности в процессе получения порошка
картофеля при А = 1,44 мм и при различных частотах: 72; 62; 50; 38;
25 Гц
Зависимость мощности от частоты (или угловой скорости) имеет
форму кубической параболы (рис. 6.9). На рис. 6.10 представлены
спрямленные параболы тех же значений мощностей, что и на рис. 6.9.
Математическая обработка экспериментальных данных позволила найти уравнения прямых:
(6.28)
69
( )
3
fN =
нач
N
max
N
кон
N
Рис. 6.9. Зависимость максимальной, начальной и конечной
мощности от угловой скорости для картофеля, А = 1,44 мм
Рис. 6.10. Графики функции
при А = 1,44 мм: 1 –
; 2 –
для картофеля
; 3 –
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]