Методичка (Петров-Солдатенко). 8 семестр

71

Час, необхідний для змішування продукту можливо знайти

tзм = V ρ m/ Qп, с; де Qп - витрата стрічкового шнека, кг/с;

m - необхідна кількість перемішувань продукту в змішувачі.

Для забезпечення рівномірного розподілу продукту в змішувачі, необхідно, щоб продуктивність зовнішнього стрічкового шнека дорівнювала продуктивності внутрішнього стрічкового шнека

Qп = Qз = Qв;

47,1 ψз (Dз2- dз2) Sз n k ρп cз = 47,1 ψв (Dв2- dв2) Sв n k ρп cв, де індекс «з» відноситься до зовнішнього шнека, а індекс «в» до

внутрішнього; ψ – коефіцієнт заповнення шнека (ψ = 0,3…0,4 );

D і d – відповідно зовнішній і внутрішній діаметри гелікоїдної стрічки, м;

S – крок гелікоїдної стрічки, м;

n - частота обертання вала змішувача, хв –1; ρп – об'ємна маса продукту, кг/м3;

k – коефіцієнт, що залежить від роду продукту: для легкосипких продуктів k = 0,75 ... 1,0; для крупнокускових продуктів k = 0,5…0,6;

c – коефіцієнт, що враховує кут нахилу гелікоїдної стрічки.

Для розрахунку використовуються дані, які знаходять розрахунком або задаються конструктивно: діаметр шнека D = 0,4-1,0 м; ширина стрічки 0,04- 0,07 м; діаметр вала dвал = 0,05 -0,06 м.

Привід змішувача виконаємо від моторредуктора. Враховуючи визначену частоту обертання змішувача, знайдем передаточне відношення між електродвигуном і валом змішувача

iдв.з = nдв.з /n,

де nдв.з – частота обертання електродвигуна моторредуктора (найближча до частоти обертання змішувача, або 1500 об/хв – найбільше поширена сінхронна частота обертання електродвигунів).

За попереднім передаточним відношенням iдв.з знаходим по довіднику моторредуктор. Треба розглянути декілька типів моторредукторів і вибрати з ближчим передаточним відношенням і з більшим к.к.д. По вибраному моторредуктору уточнюють частоту обертання змішувача.

Приймаємо робочу частоту обертання валу змішувача n. Потужність, що потрібна для приводу шнека

N = 2 Qп L ω k1 /1000, кВт, де L – довжина шнека, м;

ω – коефіцієнт опору руху (ω = 4…5);

k1 – коефіцієнт враховуючий тертя в підшипниках (k1 = 1,1… 1,2). Потужність електродвигуна визначається за формулою

Nдв = N/η,

де η – ККД приводу визначається за формулою η = ηред, де ηред – ККД моторредуктора;

72

По каталогах підбирається моторредуктор і записується його технічна характеристика.

Розрахунковий крутний момент Mкр (H·м) на тихохідному валу моторредуктора визначаємо за формулою

Mкр = 30 N iред ηред 1000/(π n),

де n – частота обертання тихохідного вала редуктора, об/хв.

19.3.5. Висновок з розрахунку.

20. ПРЕС-ГРАНУЛЯТОР

20.1. Початкові дані

Пт – продуктивність теоретична, кг/с; γсм – об'ємна маса гранул, кг/м3;

20.2.Схема розрахунку

20.3.Розрахунок

Висота стиснутої порції матеріалу

H = 0,25∙d, м,

де d – діаметр гранул.

Об'ємна маса матеріалу гранули (розрахункова густина брикетування)

γгр = γсм∙kв, кг/м3, де kв - коефіцієнт відновлення форми гранули,

γсм - об'ємна маса спресованого матеріалу. Площа поперечного перерізу фільєри

S = π·d2/4, м2,

де d – діаметр філь’єри. Периметр отвору філь’єри

lф = π·d, м.

Тиск, необхідний для отримання брикетів заданої густини p = c·(ea(γгр – γ0) – 1), кг/м2,

де a – коефіцієнт; c – коефіцієнт;

γгр – розрахункова густина брикетування, кг/м3; γ0 – початкова об'ємна маса матеріалу, кг/м3. Довжина каналу опору (філь’єри)

L2 = S·(ln(1+μ·p/q0))/(f·μ·lф), м, де μ – коефіцієнт бічного тиску;

q0 – залишковий бічний тиск;

f – коефіцієнт зовнішнього тертя матеріалу, що гранулюється. Площа робочої поверхні матриці

Fв = Qо·t/(kп·L2·γгр), м2, де Qо - пропускна здатність матриці, кг/с,

t – час витримки спресованого матеріалу, с, kп – коефіцієнт перфорації матриці.

Радіус матриці

R = Fв/(2πzкd), м,

73

де zк – число рядів отворів в матриці. Радіус пресуючого ролика

r = kр·R, м, де kр – коефіцієнт співвідношення радіусів.

Висота захоплюваного шару матеріалу

H1 = R - √(r2 + (R - r)2 + 2r·(R - r)·cos(φ/(1-r/R))), м, де φ – кут защемлення.

Кількість отворів

i = Fв· kп/S.

Ширина матриці

B = (zк +1) · (d + b), м, де b – ширина перемичок між отворами матриці. Частота обертання водила

n = Qо/(2π·R·B·H·γ0·z), с-1, де z - кількість пресуючих роликів.

Швидкість просування матеріалу в філь'єрі v = n·z·H·γ0/γгр, м/с.

Час витримки матеріалу в каналі філь’єри

t = L2/v, с.

Пропускна здатність матриці

Qо = 2π·R·B·H·γ0·n·z, кг/хв.

Уточнена пропускна здатність матриці з урахуванням зштовхування матеріалу

Qо = F· L2· γгр· i/t, кг/хв. Кут захоплення матеріалу по матриці

β = r/R·arcos(1- H(R – H)/(2r(R-r)). Кут проштовхування матеріалу в матрицю

βпр = r/R·arcos(1- (γ0/γгр)·H(R – (γ0/γгр)·H)/(2r(R-r)). Кут на якому відбувається стиснення матеріалу в матриці

βсж = β - βпр .

Площа стиснення матеріалу

Fсж = B·R· βсж, м2. Площа проштовхування матеріалу

Fпр= kп·B·R·βпр, м2.

Периметр цієї площі

Lпп = 2·kп·(B+R·βпр), м. Площа внутрішньої поверхні матриці

Sм = 2π·R·B, м2. Площа перемичок на куті проштовхування

Fпер = (1 - kп)·B·R·βпр, м2. Сила тертя при зштовхуванні матеріалу

F = Fпер·f·p/μ, н. Шлях зштовхування матеріалу

Lст = (1- kп)·R·βпр, м2.

74

Робота на зштовхування матеріалу

А3 = F·Lст. Робота стиснення матеріалу одним роликом

А1 = Fсж·с·H·(a·γ0·e-a·γ0·(Lпп·i·e-a·γ0·H/h - Lпп·i·e-a·γ0) – h/H·(e-a·γ0·H/h–1)). Робота проштовхування матеріалу одним роликом

А2 = Fпр·((Fпр/f·μ·l)·(p + q0/μ)(1 – e(-f·μ·l·h/u)) - q0(h/u))).

Повна робота, що витрачається на процес брикетування одним пресуючим роликом

А = А1 + А2 + А3.

Потужність необхідна для здійснення робочого процесу пресом N = A·2·π·n·z/β, кВт.

Потужність двигуна

Nдв = 1,25· N/η, кВт.

де η – ккд приводу.

20.4.Висновок з розрахунку.

21.ФАСУВАЛЬНО-ПАКУВАЛЬНИЙ АВТОМАТ

21.1.Технологічний розрахунок

21.1.1.Мета розрахунку

Визначити основні технологічні параметри фасувально-пакувального автомата.

21.1.2.Схема розрахунку

21.1.3.Початкові дані

Пт - продуктивність автомата теоретична, упаковок/хв; Mн - номінальна маса продукту в упаковці, кг;

γ - об'ємна маса упакованого продукту, кг/м3; ρ - густина речовини частинок продукту, кг/м3;

21.1.4. Умова розрахунку

Дозування продукту здійснюється об'ємним способом. Лімітуючою операцією є витікання сипучого продукту з бункеру в упаковку.

21.1.5. Розрахунок

Визначаємо час робочого циклу автомата Tр = 60/Пт, с.

Перевіримо можливість виконання лімітуючої операції за час робочого циклу. Для цього розрахуємо час витікання сипучого продукту з мірної ємності і час польоту дози з мірної ємності в пакет.

Узагальнений показник витрати

Q = -0,438 + 0,042∙ ln(D) + 0,027 ∙ ln (D/Dч) + 0,01 ∙ Dч + 0,053 ∙ ln(ρ) – 0,026 ∙ fвн , м3/(м2∙с),

де D - діаметр еквівалентного за площею отвору витікання, мм; Dч - еквівалентний діаметр частинок, мм;

fвн - коефіцієнт внутрішнього тертя сипучого продукту. Коефіцієнт густини укладання частинок продукту в зоні витікання

k = (kp∙γ)/ρ,

де kp - коефіцієнт розпушення в зоні витікання (kp = 0,8...0,9).

75

Час витікання сипучого продукту в пакет

tис = 4 ∙ Mн / (π ∙ (D2) ∙ ρ ∙ Q ∙ k), с.

Згідно з дослідженнями [__], при дозуванні цукру-піску і крупи по 0,5 кг час витікання tис = 0,3…0,45 с, для доз по 1 кг tис = 0,4…0,55 с.

Час польоту сипучого продукту з мірної ємності в пакет tп = kп∙ √(2 ∙ h/g), с;

де h - висота падіння продукту (від денця мірної ємності до дна пакета, м),

g - прискорення вільного падіння, м/с2;

kп - поправний коефіцієнт, що враховує тертя, (kп =1,1...1,3). Загальний час витікання і польоту

t = tис + tп, с.

При цьому має виконуватися така умова: t ≤ Tр. Якщо ця умова не виконується, то слід змінити початкові дані, або застосувати двухпотокову компоновку автомата.

Призначають число ємкостей me і відстань між ними по дузі кола te. З урахуванням діаметра мірних ємкостей Dме, визначають діаметр

кола, на якій будуть розташовуватися мірні ємності

De = me ∙ te/π, м. Зовнішній діаметр диска дозатора

Dд = De + (0,05…0,1) м. Частота обертання диска дозатора

nд = Пт/me об/хв. Окружна швидкість переміщення мірних ємкостей

νме = π∙ De ∙ nд/60, м/с.

Довжина завантажувальної камери Lк повинна бути дещо більшою (на 10 ... 20% від мінімальної довжини зони засипки, експериментально знайденої для деяких продуктів:

для цукру піску (ГОСТ 12570-67)

Lмин ≥ 9,76∙10-5[2,2(Vе +1391) - Dме/h(Vе +203)]∙ νме +2∙10-5(Vе + 500), м; для киселю (МРТУ 18/166-66)

Lмин ≥ 10,66∙10-5[2,3(Vе +2134) - Dме/h(Vе +1216)]∙ νме +2∙10-5(Vе + 500),

м,

де Vе – об'єм дозуемого продукту, см³;

Dме/h - відношення діаметра мірних ємкостей до їх висоті. При цьому час заповнення мірних ємкостей

tзас = Lк/νме, с.

Конструктивно мірні ємності об'ємних дозаторів виконують складеними з двох ціліндрів з можливістю переміщення нижнього для зміни об'єму, при змінах об'ємної маси дозуемого продукту.

Об'єм продукту Vп = Mн/γ, м3,

де γ - об'ємна маса продукту, кг/м3. Об'єм мірної ємності

Vме = Vп = π ∙ (((d1 + d2)/2) 2∙ hв)/4 + π ∙ d32∙ hн /4, м3,

76

де d1 і d2 - нижній і верхній діаметри верхнього корпусного стакана,

м;

d3 - діаметр нижнього стакана, м;

hв і hн - висота верхнього і нижнього стаканів, м;

Вибравши конструктивно значення d1, d2, d3 и hв, розраховують hн, при цьому слід передбачити можливість переміщення нижнього стакана для регулювання обсягу в межах до ± 30%.

При автоматичній піднастройці дозатора, розраховують об'єм, що дозволяє компенсувати зміну об'ємної маси

ΔV = 2 ∙ δ ∙ Mн/100∙γ, м3, де δ - похибка дозування (одностороння межа), %.

При цьому, можливо визначити переміщення нижнього стакана Δh = 4 ∙ ΔV / π ∙ d32, м.

Якщо застосовують дозатор з вібруванням мірних ємкостей, то згідно з дослідженнями оптимальний час дії вібрації при дозуванні цукру-піску tопт = 3,5 с, амплітуда дії вібрації Аопт = 0,45 мм, кругова частота дії вібрації ωопт = 138,28 рад/с, оптимальне відношення діаметра мірної ємності до її висоти Dме/h = 0,87.

При дослідженні дозування концентрату супу вермішельного з м'ясом масою Mн = 200 г об'ємним дозатором з вібруючими елементами мірних ємкостей, що мають полімерні покриття, отримані оптимальні значення деяких параметрів, які зведені в таблицю.

Виходячи з експериментально встановленої довжини пакета lп визначають максимальну швидкість споживання поліетиленової стрічки

νпл = Птмах∙lп, м/мин. Тривалість контакту поздовжнього нагрівача з плівкою

tнпр = 0,75…0,85∙ Tр, с. Тривалість контакту поперечного нагрівача з плівкою

tнпоп = 0,75…0,85∙ Tр, с.

Знайдем швидкість руху тpанспоpтеpа з готовими пакетами

νтр = Пт ∙ (lп + Δl)/60, м/c; де Δl - відстань між пакетами.

77

21.1.6. Висновок з розрахунку

У результаті розрахунку визначені основні показники технологічного процесу.

21.2. Кінематичний розрахунок 21.2.1. Мета розрахунку

Визначити кінематичні параметри приводів виконавчих механізмів автомата.

21.2.2.Схема розрахунку

21.2.3.Початкові дані

Початковими даними є параметри отримані в результаті технологічного розрахунку.

21.2.4.Умови розрахунку

Особливих умов немає.

21.2.5.Розрахунок

21.2.5.1. Розрахунок головного приводу

Розглянемо попередньо складену схему фасувального автомата. Від електродвигуна 1 рух передається через варіатор 2 на редуктор 3. З редуктору 3 виходить вихідний вал 4, який є розподільчо-керуючим валом (РКВ), від кулачків якого спрацьовує більшість механізмів автомата. Редуктор 3 має ще один вихідний вал 5, який через ланцюгову передачу 6 пов'язаний з контролером 7. Контролер синхронізує роботу всіх електричних елементів схеми автомата. На валу 5 змонтована куліснорейкова передача 8, яка забезпечує рух вала з електромагнітними муфтами 9 і 13. Через муфту 9 рух передається на ланцюгові передачі 10 і 11, а також на транспортери 12 подачі рукава з поліетилену. Муфта 13 призначена для гальмування транспортерів 12.

У зв'язку з передачею обертального руху через розподільчо-керуючий вал, його частота обертання, повинна бути рівною

nрув = Пт, об/мин.

Виходячи з компонування, передавальне відношення між валом електродвигуна і РКВ

iдв/рув = nдв/ n рув .

Виходячи з компонування, передавальне відношення між валом електродвигуна і РКВ забезпечується клинопасовим варіатором і pедуктоpом.

У завданні зазвичай обмовляється мінімальна та максимальна продуктивності, у зв'язку з чим можливе визначити діапазон регулювання варіатора, і вибрати його передавальне число iвар.

Передавальне число pедуктоpа

iред = iдв/рув/ iвар.

Водночас передавальне число pедуктоpа

iред = iзп1∙ iзп2 ∙ iзп3,

- передавальні відносини першої, другої і третьої

78

Передавальне число pедуктоpа уточняється, після чого перераховують передавальне число варіатора.

Попередньо складається циклограма роботи автомата. Враховуючи розрахований час робочого циклу, орієнтовно призначаємо час розмотування поліетиленової стрічки, час роботи механізму протягування, час спрацьовування і вистою механізмів управління нагрівачами поздовжнього і поперечного зварювання, час на розвантаження мірної ємності і політ сипучого продукту в пакет, час на відрізку сформованого пакета.

Стосовно до обраних механізмів, керуючих робочими органами, розраховують остаточні значення часу на виконання технологічних і допоміжних операцій. Так наприклад, по необхідному часу на протягання поліетиленової плівки визначають швидкість протягування

νп = lп/tпр, м/с.

Це дає можливість розрахувати механізм протягування плівки. Визначимо частоту обертання приводного шківа транспортера механізму протягування плівки

nшп = νп/(π∙Dшп·ζр∙ζрп),

де Dшп – діаметр приводного шківа транспортера, м; ζр – коефіцієнт проковзування ременя транспортера;

ζрп - коефіцієнт проковзування між ременем транспортера і поліетиленовою плівкою.

Визначимо загальне передавальне відношення між приводним валом транспортера механізму протягування плівки і керуючим валом цього механізму

iпв/кв = nкв/nшп,

де nкв – частота обертання керуючого вала.

Це передавальне відношення забезпечується двома ланцюговими передачами

iпв/ув = iлп1∙ iлп2,

де iлп1, iлп2 – передавальні відносини ланцюгових передач.

Частота обертання керуючого вала залежить від передавальних відносин кулісного механізму і рейкової передачі

nкв = iкм∙ iрп ,

де iкм – передавальне відношення кулісного механізму, iрп - передавальне відношення рейкової передачі. Потім остаточно коригують циклограму автомата.

21.2.5.2. Розрахунок приводу механізму розмотування поліетиленової плівки

Виходячи з необхідної максимальної швидкості споживання поліетиленової плівки νпл, призначають з 10% запасом швидкість розмотування стрічки

νрл = 1,1∙νпл.

Частота обертання шківа транспортера розмотування

79

nш = 30∙νрл/(π∙R·ζ), об/хв, де R - радіус шківа транспортера розмотування, м; ζ – коефіцієнт проковзування паса транспортера.

Тоді передавальне відношення між електродвигуном і валом з ведучим шківом транспортера розмотування

iдв/вшт = nдвр/ nш = iред,

де nдвр – частота обертання електродвигуна механізму розмотування поліетиленової плівки, об/хв;

iред – передавальне число редуктора.

Електродвигуном 1 через редуктор 2, ремінну передачу 3 обертальний рух передається на рулон плівки 4 (рис. 22.3а).

Виходячи з кінематичної схеми передавальне відношення між електродвигуном і валом з ведучим шківом транспортера розмотування

iдв/вшт = iчр,

де iчр – передавальне відношення черв'ячного редуктора.

21.2.5.3. Розрахунок приводу транспортера

З конструктивних міркувань прийнятий стрічковий транспортер для готових пакетів 4, який приводиться електродвигуном 1 через редуктор 2, ремінну передачу 3 (рис. 22.3б).

Частота обертання привідного вала стрічкового транспортера

nтр = (60 ∙ νтр)/(π ∙ dб), об/хв,

де dб - діаметр барабана приводного валу транспортера, м

Загальне передавальне число між валом електродвигуна і приводним валом тpанспоpтеpа

iдв/тр = nдв/nтр = iред ∙ iрп,

де iред – передавальне число редуктора;

iрп – передавальне число ремінної передачі.

21.2.5.4. Розрахунок приводу дозатора

Передавальне число між валом електродвигуна і валом ротора дозатора

iдв/доз = nдв/nд .

Передавальне число забезпечується ваpіатоpом, pедуктоpом, двома ланцюговими передачами і конічною зубчастою передачею

iдв/доз = iред ∙ iвар ∙ iлп1 ∙ iкзп ∙ iлп2 .

Враховуючи, що передавальні відносини варіатора і редуктора попередньо обрані, необхідно підібрати передавальні числа двох ланцюгових передач і конічної зубчастої передачі.

21.2.6. Висновок з розрахунку

У результаті розрахунку визначені основні характеристики механізмів, що здійснюють технологічний процес.

21.3. Розрахунок потужності приводу дозатора 21.3.1. Мета розрахунку

Визначимо потужність необхідну для приводу дозатора.

80

21.3.2. Схема розрахунку

Скласти просторову кінематичну схему і навантажити ланки зусиллями і крутним моментом.

21.3.3. Початкові дані

Даними є параметри зазначені в завданні і отримані в результаті попередніх розрахунків і конструктивних проробок.

21.3.4.Умова розрахунку

Особливих умов немає.

21.3.5.Розрахунок

Розрахунок потужності при виконанні автоматом своїх функціональних завдань ґрунтується на знанні сил, прикладених до робочих органів автомата. Визначимо ефективний момент в підшипнику ротора дозатора від сумарної сили вертикального навантаження Р1

P1 = P2 + P3 + P4, н;

де: Р2 - вага продукту, н; Р3 - вага ротора дозатора, н;

P4 - зусилля притиснення завантажувальної камери до дозувального ротора, н.

Ефективний момент від вертикального навантаження Р1

Mэф1 = 1,4 ∙ P1∙ Dзн ∙ k / dш, н∙м,

де Dзн - зовнішній діаметр внутрішнього кільця підшипника, м; dш - діаметр кульки, м;

k – приведений коефіцієнт тертя кочення (k = 1∙10-5, м).

Ефективний момент при обертанні диска ротора дозатора об продукт і ущільнення завантажувальної камери

Mэф2 = (P2∙ f1 + P4∙ f2) ∙ r, н∙м;

де f1 – коефіцієнт зовнішнього тертя продукту дозування об матеріал дозуючого диска,

f2 - коефіцієнт тертя ущільнення завантажувальної камери об матеріал дозуючого диска,

r - усереднений радіус завантажувальної камери, м. Наведемо ефективні моменти до валу електродвигуна:

Mст = (Mэф1 + Mэф2)/(iдв/доз ∙ П(ηдв/доз)) , Н∙м,

де П(ηдв/доз)) – добуток ККД всіх механізмів які утворюють кінематичний ланцюг від електродвигуна до дозатора:

ηвар - ККД варіатора; ηред - ККД редуктора;

ηцп - ККД ланцюгової передачі (у другій ступеня, так як їх дві);

ηпп - ККД підшипникової пари (в n - му ступені, де n - число підшипникових пар).

Потужність необхідна для переміщення розглянутих механізмів

N = Mст ∙ ωдв, Вт,

де ωдв - кутова швидкість обертання вала електродвигуна, с-1.

21.3.6. Висновок з розрахунку