Автореферат: Обоснование параметров устройства для сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое

(8)

Система уравнений (8) позволяет определить нормальную и касательную составляющие силы удара:

(9)

и

, (10)

где Р_N и Р_k - нормальная и касательная составляющие силы удара соответственно, Н;

и - нормальная и касательная составляющие импульса силы удара соответственно, Н?с;

?Т - время соударения, с.

В результате виброабразивной обработки яйца частицы осуществляют массовое царапание поверхности скорлупы, которое сопровождается снятием некоторого количества стружки. Для изучения динамики данного процесса была применена известная теория резания-царапания металлов.

При поступательном движении абразивной частицы на нее действует сила резания Р_р, которую можно разложить на нормальную P_N и касательную P_k составляющие (рис. 2). Нормальная сила Р_N прижимает абразивную частицу к обрабатываемой поверхности, с которой касательная сила Р_k срезает стружку.

Рис. 2 Схема сил, действующих на абразивную частицу при резании-царапании

Исходя из условия равновесия сил, нормальная и касательная силы резания соответственно равны

; (11)

, (12)

где N - нормальная реакция обрабатываемого материала от воздействия частицы, Н;

г - передний угол резания частицы (г = -33?), град;

f - коэффициент трения частицы об обрабатываемый материал.

Нормальная реакция, входящая в эти формулы, может быть определена из условия прочности материала на срез при проецировании всех сил, действующих в материале, на плоскость среза m-m и на плоскость, ей нормальную (рис. 3).

Рис. 3 Схема сил, действующих в материале при резании-царапании

После преобразований выражение для расчета нормальной реакции при резании примет вид

, (13)

где S - площадь поперечного сечения канавки царапины, м²;

ф_S - касательное напряжение среза, Па;

и - угол среза, град;

- коэффициент внутреннего трения в плоскости среза.

Учитывая выражение (13), формулы (11) и (12) запишутся следующим образом:

; (14)

. (15)

Как известно из теории резания металлов, средняя масса стружки, снятой одной абразивной частицей, рассчитывается по формуле

, (16)

где q_ч - масса единичного среза, кг;

S - площадь поперечного сечения среза, м²;

l_ср - длина среза, м;

д - удельная масса обрабатываемого материала,.

Опуская промежуточные вычисления, формула (16) приводится к виду

, (17)

где u - коэффициент, учитывающий отношение нормальной составляющей силы резания к касательной.

С учетом выражения (17) съем загрязнения с поверхности скорлупы определится по формуле

, (18)

где Q_со - масса загрязнений, снимаемых с единицы поверхности скорлупы в единицу времени (теоретическая эффективность очистки), ;

n_уд - число ударов одной абразивной частицы в единицу времени, ;

s_сл - количество следов частиц на единице поверхности, ;

Д_ср - коэффициент затухания силового импульса по высоте виброкипящего слоя (коэффициент демпфирования);

о - коэффициент силового воздействия по радиусу виброемкости.

В окончательном виде формула (18) запишется в следующем виде:

, (19)

где щ - частота вибраций, ;

b - ширина царапины, м.

Коэффициенты Д_ср и о устанавливаются опытным путем при помощи приспособления для измерения силового воздействия на яйцо.

В третьей главе представлены программа и методика экспериментальных исследований по измерению эффективной вязкости дисперсных систем, по определению усилия, действующего на яйцо в различных зонах виброкипящего слоя, процесса сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое абразивного материала, методика математической обработки результатов эксперимента, описание экспериментальной установки и ее работы.

Предварительные исследования показали, что процесс сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое зависит от 9 основных факторов. Отсеивающим экспериментом была установлена существенная значимость только 7 из них: коэффициента перегрузки (aщ²/g, где a - амплитуда колебаний, м; щ - частота колебаний, с^-1; g - ускорение свободного падения, м/с²), времени очистки (t, мин.), масштабного фактора (h/D, где h - высота слоя, м; D - диаметр емкости, м), среднего диаметра частиц (d_ср, м), материала, положения яиц по высоте слоя (h_я, %) и фактора, учитывающего эффективную вязкость (aщh/н, где н - кинематическая вязкость, м²/с). Одновременно оперировать в широком диапазоне коэффициентом перегрузки, масштабным фактором и фактором, учитывающим эффективную вязкость, не представлялось возможным. Поэтому основной эксперимент проводили с применением D-оптимального симметричного некомпозиционного плана Бокса-Бенкена для 4 факторов на 3 уровнях варьирования и для каждого исследуемого материала с фиксированным размером частиц (таблица 1), а эффективную вязкость как основную реологическую характеристику, влияющую на динамику поведения сыпучих тел под воздействием вибрации, рассмотрели отдельно.

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования факторов при исследовании процесса сухой очистки яиц

Для проведения исследований процесса сухой очистки яиц в виброкипящем слое на кафедре «Механизация животноводства» АГАУ была изготовлена лабораторная установка (рис. 4).

Рис. 4 Схема экспериментальной установки для сухой очистки яиц: 1 - рама; 2 - винтовой механизм; 3 - гибкое днище; 4 - абразивный материал; 5 - приспособление для загрузки яиц; 6 - объект, подлежащий очистке (яйцо); 7 - емкость; 8 - пульт управления; 9 - вибровозбудитель; 10 - упругая муфта; 11 - электродвигатель

Работает экспериментальная установка следующим образом. Пультом управления 8 производится запуск электродвигателя 11, который через упругую муфту 10 плавно сообщает крутящий момент на вал вибровозбудителя 9. Винтовой механизм 2, выступая в роли шатуна, преобразует вращательное движение кривошипа вибровозбудителя 9 в возвратно-поступательное движение центральной части гибкого днища 3. Гибкое днище 3 приводит в движение нижние слои абразивного материала 4, а те, в свою очередь, передают колебания вышележащим слоям. Таким образом рабочая среда переходит в виброкипящее состояние. Партию загрязненных яиц 6 укладывают в ячейки решетки приспособления 5 и погружают в виброкипящий слой, где движущимися абразивными частицами осуществляется очистка яиц от загрязнений. После завершения очистки решетку поднимают и выгружают из нее очищенные яйца.

В качестве критериев оптимизации приняты эффективность очистки Е_О, кг/(м²с), и энергоемкость процесса Е_Э, Вт•ч/шт, сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое.

Исследования по измерению эффективной вязкости виброкипящего слоя проводили на вибровискозиметре, изготовленном на базе экспериментальной установки для сухой очистки яиц (рис. 5).

Рис. 5 Схема вибровискозиметра по определению вязкости дисперсных систем: 1 - рама; 2 - винтовой механизм; 3 - гибкое днище; 4 - направляющие; 5 - емкость; 6 - дисперсный материал; 7 - шарик; 8 - натяжное приспособление; 9 - струна; 10 - регистрирующая система; 11 - тяговый механизм; 12, 17 - упругая муфта; 13, 16 - электродвигатель;
14, 15 - пульт управления; 18 - вибровозбудитель

Принцип действия вибровискозиметра следующий. Исследуемый материал 6 переводится в виброкипящее состояние посредством вибровозбудителя 18. После чего включаются регистрирующая система 10 и тяговый механизм 11, обеспечивающий постоянную скорость движения сферического тела (шарика) 7. Усилие на протягивание шарика 7, регистрируемое тензометрическим датчиком, преобразуется в электрический сигнал, который подается на осциллограф, пройдя предварительное усиление. Шкала осциллографа тарируется на необходимый диапазон усилий, и с нее считываются истинные значения силы на перемещение шарика 7.

Расчет эффективной вязкости дисперсного материала выполняли по формуле Стокса:

, (20)

где - эффективная динамическая вязкость исследуемой дисперсной системы, Пас;

Р - усилие на преодоление сферическим телом сопротивления материала, Н;

Р₁ и Р₀ - сила на перемещение сферического тела в дисперсной системе и в пустой емкости соответственно, Н;

d - эквивалентный диаметр сферического тела, м;

V - скорость движения сферического тела, .

Исследования поведения и эффективной вязкости различных дисперсных сред, находящихся под воздействием вибрации, позволили выбрать основные материалы для сухой очистки яиц в виброкипящем слое. Ими оказались стеклянная крошка и дробленая галька - сравнительно недорогие, широко распространенные, обладающие хорошими абразивными свойствами.

Для определения совместного воздействия аэродинамического напора и силовых импульсов частиц дисперсной среды на яйцо, а также установления демпфирования среды в различных зонах виброкипящего слоя использовалось дополнительное приспособление (рис. 6).

Рис. 6 Приспособление для измерения силового воздействия на яйцо: 1 - рамка; 2 - подвижная опора; 3 - кронштейн; 4 - направляющие кольца; 5 - макет яйца; 6 - штанга

Силу воздействия (давление) исследуемой среды на яйцо регистрировали предварительно протарированным динамометром. Вес макета яйца 5 и штанги 6 соответствовал среднему весу стандартного куриного яйца (0,58 Н). Если наблюдалось выталкивание макета яйца 5 к поверхности виброкипящего слоя, то силу считали положительной, а в случае погружения - отрицательной.

В четвертой главе выполнен анализ результатов исследований, определены оптимальные параметры процесса сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое.

Математическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием программы Statistica v6.0 для ПЭВМ.

На основании экспериментальных исследований получены уравнения регрессии для параметров оптимизации процесса сухой очистки яиц:

для стеклянной крошки

, (21)

; (22)

для дробленой гальки

, (23)

. (24)

По уравнениям регрессии построены соответствующие поверхности отклика (рис. 7-9), внешний вид которых для обоих исследуемых материалов имеет схожие черты. В качестве примера приведены графические зависимости по стеклянной крошке, свидетельствующие о повышении эффективности очистки с увеличением коэффициента перегрузки и времени обработки, с уменьшением высоты виброкипящего слоя и при нахождении яиц у виброднища установки, а также о росте энергоемкости с увеличением коэффициента перегрузки и высоты слоя.

Рис. 7 Графическая зависимость эффективности очистки E_o от времени t и масштабного фактора h/D

Рис. 8 Графическая зависимость эффективности очистки E_o от коэффициента перегрузки aщ²/g и положения яиц по высоте слоя h_я

Рис. 9 Графическая зависимость удельной энергоемкости E_Э от коэффициента перегрузки aщ²/g и масштабного фактора h/D

При длительной очистке загрязненная поверхность яйца больше по времени подвержена «бомбардировке» абразивными частицами. Следовательно, чем дольше загрязненные яйца находятся в виброкипящей абразивной среде, тем процесс сухой очистки протекает более эффективно и в единицу времени с поверхности скорлупы снимается больше загрязнений.

Чем меньше высота слоя абразивного материала, тем большая величина силового импульса передается от виброднища экспериментальной установки к абразивным частицам, и тем интенсивнее ударное воздействие последних на загрязненную поверхность скорлупы.

Величина коэффициента перегрузки определяется двумя основных параметрами вибрации - амплитудой и частотой колебаний. При повышении амплитуды увеличивается величина силового импульса, генерируемого виброднищем, и следовательно, ударное воздействие абразивных частиц. Повышение частоты колебаний виброднища ведет к росту числа контактов абразивных частиц с очищаемой поверхностью, что повышает эффективность очистки. Таким образом, увеличение коэффициента перегрузки интенсифицирует процесс сухой очистки яиц.