Влияние геометрических параметров рабочих поверхностей валков
30.10.2014
Основными рабочими органами вальцевого станка являются цилиндрические валки, изготовляемые обычно из отбеленного чугуна. Элементами рабочей поверхности мельничного валка могут быть рифли, наносимые резцами на его поверхность, а также микроповерхностные неровности, образуемые в результате абразивного шлифования или электроискровой обработки. Кроме того, иногда применяют валки из керамических материалоз (например фарфорозые) с шероховатой поверхностью. Характеристика рабочих поверхностей валков определяется совокупностью требозаний, предъявляемых к отдельным технологическим операциям, составляющим процесс измельчения зерна. На драных системах применяют рифленые поверхности, а на размольных при измельчении крупок и дунстов — шероховатые. В последние годы многие мельницы стали широко применять рифленые валки и для измельчения крупок.
Как показано на рис. 32, рифли в своем поперечном сечении имеют две неравные боковые грани abcd и abgf. Узкую грань abcd принято называть гранью острия, а широкую грань abgf — гранью спинки.
Обе грани образуют угол Θ, называемый углом заострения рифли. Если точку α соединить с центром валка, то угол Θ разделится на два неравных угла — передний и задний; в литературе по вопросам мукомольного производства принято меньший угол β называть углом острия и больший γ — углом спинки.
Несимметричность формы рифлей в связи с различными величинами углов β и γ обусловливает возможность осуществить четыре варианта расположения граней рифлей валков по отношению к измельчаемому продукту.
Рифли на поверхности валка нарезают под некоторым углом к образующей цилиндра валка. Величина отклонения рифлей от образующей цилиндра (уклон) на разных системах различна.
Число рифлей на единицу окружности валка зависит от размера измельчаемых частиц. Размеры рабочей части валка определяются длиной цилиндра и его диаметром; длина цилиндра зависит от количества продукта, поступающего на ту или иную систему, а диаметр устанавливают в зависимости от назначения той или иной операции (процесс образования крупок или вымольный процесс и т. п.).
Таким образом, геометрическими параметрами рабочих поверхностей мельничных валков являются:
1. Форма поперечного сечения рифлей (угол заострения Θ, угол острия β и угол спинки γ), а для валков с шерохозатой поверхностью — ее класс чистоты (микро- и макрогеометрия поверхности).
2. Расположение граней рифлей валков по отношению к измельчаемому продукту.
3. Величина уклона рифлей валков к образующей цилиндра.
4. Число рифлей на единицу длины окружности валка.
5. Размеры рабочей части валка (диаметр цилиндра и его длина).
Перечисленные параметры являются важнейшими факторами,
влияющими на количество и качество получаемых крупок, дунстов и муки, а также на производительность мельниц, величину расхода энергии и стоимость производства продукции.
До 1938 г. рифли валков на мельницах России отличались многообразием форм.
С 1938 г. вводится единый профиль рифлей валков с углом заострения 90° (β = 20°, γ = 70°) независимо от помола и физических свойств измельчаемого продукта. В основу выбора такого профиля рифлей было положено указание проф. П. А. Афанасьева о том. что при угле 90° рифли «...удобнее образуются, легче оттачиваются и менее скоро затупляются..., хотя в смысле уменьшения усилия, перерезающего частицы, было бы выгоднее употреблять бороздки с более острыми режущими углами». Это положение изложено проф. Афанасьевым 70 лет назад — в период, когда не было специальных станков и резцов для нарезки валкоз, а качество материала для изготовления валков и техника их отливки были еще недостаточно совершенными. Кроме того, окружная скорость быстровращающегося валка не превышала в то время 2,5 м/сек.
Какие-либо экспериментальные данные, на основании которых установлен единый профиль рифлей с углом заострения 90°, в литературе отсутствуют. Между тем практика работы мельниц показывает, что применяемый профиль рифлей неустойчив: они быстро изнашиваются.
Изучение опыта работы мельниц показывает, что многие работники не придерживаются при нарезке установленного профиля рифлей валков. Они вынуждены изыскивать более совершенный профиль рифлей, так как на восстановление рифленой поверхности валков затрачивается много средств. Так, например, на мелькомбинате им В. И. Ленина в Ленинграде затраты, связанные с нарезкой валков, составили в 1940 г. свыше 47 тыс. руб., а по всей мукомольной промышленности эта сумма ежегодно исчисляется миллионами рублей. Следовательно, выбор правильной формы рифлей дает возможность не только улучшить работу мельниц, но и сэкономить значительные средства.
Если исходить из технологических требований, то профиль рифлей должен обеспечивать (при принятых кинематических параметрах) получение на первом этапе измельчения максимального количества высококачественных крупок при минимальном измельчении оболочек. В связи с этим проф. К. А. Зворыкин отмечал, «...что если на первом плане стоит желание щадить оболочки от перерезания, то в таких случаях в ущерб расходу работы может оказаться выгодным увеличивать режущий угол».
Проф. П. А. Козьмин считал, что для получения большего количества крупных отрубей целесообразно применять на быстровращающихся валках форму рифлей с углом резания 45°. Однако учитывая трудности при нарезке рифлей такой формы на применяемых чугунных валках, можно принять профиль рифлей с углом резания 60—65°, при котором работа резания невелика.
О величинах углов рифлей валков, применяемых в различных странах, свидетельствуют данные, приведенные в табл. 22.
Приведенные данные указывают на отсутствие единого мнения о профиле рифлей валков.
В литературе мы не находим данных об оптимальных геометрических параметрах валкоз. Разрозненные сведения о влиянии отдельных геометрических параметров совершенно недостаточны и во многом противоречивы. Между тем комплексное исследование этого вопроса с учетом физических свойств измельчаемых продуктов и изыскание оптимальных геометрических параметров валков представляют несомненный научный интерес и имеют для мукомольного производства большое практическое значение.
Для исследования процесса измельчения зерна с различными геометрическими параметрами рабочих поверхностей валков было проведено несколько серий опытов.
В этих опытах, во-первых, изучалось влияние различных форм рифлей валков на процесс образования крупок. Измельчению подвергалась пшеница с различной стекловидностью. На первых трех драных системах испытывали 4 профиля рифлей валков.
Во-вторых, исследовалось влияние различных вариантов расположения граней рифлей по отношению к измельчаемому продукту.
В-третьих, изучалось влияние различного уклона рифлей (0, 2, 4, 6, 8%, а также 0, 5, 10, 15, 20%). Опыты проводились с продуктами, поступавшими на первые четыре драные системы.
В-четвертых, сравнивались результаты работы валков с различными поверхностями для установления их влияния на процесс измельчения обогащенных крупок.
Чтобы определить влияние диаметра валков на процесс измельчения, проводили опыты с валками диаметром 150, 225, 250 и 300 мм. Для измельчения использовали лабораторный вальцевый станок с валками длиной 60 мм (см. рис. 32). Конструктивные особенности этого станка позволяли устанавливать валки диаметром 150 —300 мм и располагать линию, соединяющую оси валков, под углом к горизонту от 0 до 40°. Найденные в лабораторном станке оптимальные показатели проверяли сначала в экспериментальном вальцевом стайке с валками диаметром 300 мм и длиной 500 мм (рис. 33), а затем на экспериментальной мельнице ВНИИЗ производительностью 100 т пшеницы в сутки.
До проведения опытов с различными геометрическими параметрами валков устанавливали рабочий зазор, пользуясь для этого микроскопом ЛОМЗ с ценой деления 0,01 мм. Во время работы станка величину рабочего зазора проверяли посредством индуктивного датчика.
Методика измерения заключалась в следующем. Датчик закрепляли на станке так, чтобы измерительный шток находился на одной линии с линией центров валков (рис. 34). При установленном рабочем зазоре якорь датчика был расположен точно посредине между магнитопроводами. Следовательно, при нейтральном положении якоря ток через миллиамперметр не проходил, и стрелка прибора устанавливалась на 0. При раздвижении валков шток с якорем перемещался, что вызывало прохождение тока через миллиамперметр. Величина рабочего зазора определялась на основе тарировочного графика. По шкале прибора проверялось постоянство рабочего зазора.
В каждом опыте в соответствии с методикой определялось качество крупок, дунстов и сходовых продуктов до и после измельчения по показателям зольности и органолептически. Качество муки определялось методами, описанными в трудах проф. Л. Я. Ауэрмана и проф. А. И. Островского.
Величина вновь образованной поверхности в 1 кг продукта, полученного при измельчении, а также показатели расхода энергии определяли в соответствии с методикой, излагавшейся далее.