ФГБОУ ВО Новосибирский ГАУ ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ Кафедра механизации животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции М.Н. Мефодьев, Е.А. Пшенов, А.А. Мезенов ОСНОВЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН И АППАРАТОВ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ Курс лекций Новосибирск 2015 УДК 664 ББК 36.81 Кафедра механизации животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции Рецензент: д-р техн. наук, ст. научн. сотр. Н.А. Петухов (ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии) Мефодьев М.Н. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств: курс лекций / М.Н. Мефодьев, Е.А. Пшенов, А.А. Мезенов; Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. – Новосибирск, 2015. – 108 с. В курсе лекций изложены общие принципы расчета и конструирования нового и модернизации существующего оборудования пищевых производств. Предназначен для студентов направления подготовки «Агроинженерия» профиль «Технологическое оборудование для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции». Утвержден и рекомендован к изданию методическим советом Инженерного института НГАУ (протокол № 5 от 22 декабря 2015 г.). Новосибирский государственный аграрный университет, 2015 2 ВВЕДЕНИЕ Реализация прогрессивных технологий переработки сельскохозяйственного сырья требует постоянного совершенствования оборудования поточно-технологических линий. Основными путями совершенствования машин и аппаратов перерабатывающих производств являются модернизация используемого оборудования на основе новых патентов, а также изобретение оригинальных конструкций. Основы методологии в области конструирования закладываются в период изучения общеинженерных дисциплин. Студентам инженерных специальностей необходимо знать методы прогнозирования конструкций, общие законы развития техники, которые заключаются в том, что технические системы возникают, переживают периоды становления, расцвета, упадка, сменяются другими устройствами и системами с более благоприятными характеристиками. Важнейшими условиями создания прогрессивного оборудования, позволяющего эффективно решать проблему комплексной переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания, являются: – всемерное снижение стоимости новых конструкций машин на единицу производительности (мощности); – повышение в оптимальных пределах единичной мощности машин при одновременном уменьшении их габаритов; – снижение энергопотребления, удельной металлоемкости; – обеспечение экономичности в эксплуатации, надежности и безопасности конструкций машин. Задачи дисциплины «Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств» заключаются в формировании системы знаний и умений, необходимых для профессиональной деятельности, навыков проектирования на стадиях разработки технического предложения, эскизного проектирования машин, технически грамотного оформления графической части и текстовых документов в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации. 3 Лекция 1 ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 1. Структура машин и назначение их элементов Основой изучения и конструирования машин является знание их структуры и функционального назначения элементов, из которых они состоят. Машиной называется сочетание нескольких механизмов, выполняющих определенные целенаправленные движения для преобразования энергии, материалов или информации. В зависимости от назначения различают три вида машин: энергетические, рабочие, информационные. В свою очередь, рабочие машины подразделяются на технологические и транспортные. В технологических машинах под материалом подразумевается обрабатываемый предмет (объект труда), который может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Преобразование материалов в этих машинах заключается в изменении их свойств, состояния или формы. К технологическим машинам в перерабатывающей промышленности относятся, например, обоечные машины, вальцовые станки, волчки, куттеры, сепараторы, маслообразователи и т. д. В транспортных машинах под материалом понимается перемещаемый предмет, а его преобразование состоит только в изменении положения. В общем случае технологическая машина состоит из следующих механизмов: двигательного (двигателя), передаточного и исполнительного. Кроме перечисленного, большинство технологических машин перерабатывающих производств дополнительно оснащаются питающим механизмом и выпускным устройством, а также механизмами для управления, регулирования, защиты и блокировки машины. Двигатель служит для преобразования любого вида энергии в механическую. Современные машины перерабатывающих производств приводятся в движение, главным образом, отдельным электродвигателем, и поэтому в данном случае имеет место преобразование электрической энергии в механическую. Процесс развития двигательного механизма происходил по следующим этапам: а) развитый трансмиссионный привод всех машин от одного центрального двигателя; б) групповой электропривод однородных машин с развитой передаточной трансмиссией; в) индивидуальный электропривод машины с передаточным механизмом ко всем исполнительным механизмам; 4 г) индивидуальный встроенный электропривод для каждого исполнительного механизма машины. Последний этап является наиболее совершенным с точки зрения возможности автоматического управления работой машины и обеспечения для каждого исполнительного механизма индивидуального режима работы, присущего его динамике. Динамика двигательного и передаточного механизмов определяется усилиями, необходимыми для воздействия рабочих органов на обрабатываемый объект. Эти усилия обусловливают размеры узлов и деталей механизмов в зависимости от прочности, жесткости и износоустойчивости. Передаточный механизм служит для передачи энергии (движения) от двигателя к исполнительному механизму. Кинематическая система передаточного и исполнительного механизмов определяет законы движения рабочих органов, скорости и ускорения отдельных звеньев системы. Передаточные механизмы можно разделить на три вида: не изменяющие, изменяющие и регулирующие скорость движения (частоту вращения) исполнительного механизма. К первому виду относятся всевозможные муфты. Для изменения скорости движения используются ременные, цепные, зубчатые, червячные, фрикционные передачи и редукторы, а для регулирования – вариаторы. Исполнительный механизм предназначен для приведения в действие рабочих органов машины. Он включает ведомое звено, с которым соединяются рабочие органы, и ведущее, которое связано с приводным механизмом. В качестве исполнительного механизма чаще всего используется вал. Рабочие органы исполнительных механизмов непосредственно воздействуют на обрабатываемый продукт или материал согласно заданному технологическому процессу. Во многих случаях процесс в машине осуществляется несколькими рабочими органами, каждый из которых выполняет определенную операцию. Такие машины называются сложными в отличие от простых машин с одним рабочим органом. Рабочие органы делятся на обрабатывающие и удерживающие (захваты, зажимы и др.). Удерживающие рабочие органы могут фиксировать обрабатываемое изделие в неподвижном состоянии при относительном перемещении обрабатывающего рабочего органа. В других случаях обрабатывающий орган неподвижен, а перемещается обрабатываемый объект вместе с удерживающим органом. В общем случае рабочими органами могут быть не только механические устройства, но и воздушные и водяные потоки, поля (магнитные, электрические, температурные и т. д.), а также реакционные пространства (камеры), в которых создаются необходимые условия для воздействия на обрабатываемое сырье. 5 Исполнительные механизмы характеризуются условиями работы рабочих органов. Так, в механизмах непрерывной работы их рабочие органы находятся в непосредственном контакте с обрабатываемым объектом в течение всего цикла движения механизма, а в периодически работающих механизмах рабочие органы находятся в контакте с обрабатываемым объектом лишь в течение части цикла движения механизма (рабочее перемещение); остальное время рабочие органы находятся в нерабочем положении (холостое перемещение). При рабочем перемещении требуется соблюдать определенные закономерности движения, обусловленные технологическими требованиями. При конструировании рабочих органов исполнительных механизмов необходимо учитывать различные режимы их работы при рабочем и холостом ходах. Питающий механизм предназначен для непрерывной или периодической подачи сырья или исходного продукта в машину. Механизм может обеспечивать количественное дозирование (весовое или объемное) подаваемого сырья в зависимости от изменения его физикомеханических свойств, а также требуемых свойств готового продукта и требований технологического процесса. Выпускное устройство предназначено для вывода продукта, полученного в результате технологического процесса машины. Помимо главных механизмов современные машины снабжают рядом дополнительных устройств: а) установочными и регулирующими механизмами (для настройки работы машины); б) механизмами управления (для пуска, остановки, контроля); в) механизмами защиты и блокировки, предотвращающими неправильные или несвоевременные включения или отключения отдельных механизмов. Они также предназначены для предохранения механизмов машины при аварии. Движущиеся элементы машин соединяются с неподвижными с помощью опор и подвесок. Для крепления и соединения отдельных элементов и механизмов машин служат корпус, станина или рама. Структурный анализ каждой машины позволяет построить ее технологическую и кинематическую схемы, определить динамические условия работы всех механизмов, узлов и деталей, что необходимо при расчете и конструировании машин. 2. Классификация машин и аппаратов перерабатывающих производств При современном многообразии перерабатывающих производств применяемое в них технологическое оборудование также весьма разно6 образно. Это оборудование можно классифицировать по ряду следующих обобщающих признаков: а) характеру воздействия на обрабатываемый продукт; б) структуре рабочего цикла; в) степени механизации и автоматизации; г) функциональному признаку. Помимо этих признаков каждому виду оборудования присущи свойства и особенности частного порядка. Они рассматриваются в соответствующих главах, посвященных расчету и конструированию различных машин и аппаратов. В зависимости от характера воздействия на обрабатываемый продукт технологические машины делятся на аппараты и машины. В аппаратах осуществляются тепло-, массообменные, физикохимические, биохимические и другие процессы, в результате которых происходит изменение физических и химических свойств обрабатываемого продукта или изменение его агрегатного состояния. Характерным признаком аппарата является наличие реакционного пространства или камеры. Для интенсификации процессов аппараты могут быть снабжены дополнительными механизмами. Кроме того, для работы аппаратов обычно обязательно наличие различных рабочих жидкостей [холодной и (или) горячей воды], газа, пара, дыма и т. п., которые называются теплоносителями или хладагентами. Взаимодействие последних с обрабатываемым продуктом в аппарате может происходить напрямую или через разделяющую поверхность (стенку). В машинах осуществляется механическое воздействие на продукт, в результате чего изменяются его форма, размеры и другие физикомеханические показатели. Конструктивной особенностью машин является наличие движущихся исполнительных (рабочих) органов. Форма, размеры, материал и характер перемещения этих органов зависят от их назначения. В некоторых случаях технологическое оборудование является комбинацией машины и аппарата, поскольку в нем одновременно осуществляется механическое, физико-химическое и тепловое воздействие. По виду цикла работы машины и аппараты могут быть периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. В процессе работы технологическое оборудование выполняет не только основные (измельчение, перемешивание, варка и т. п.), но и вспомогательные (загрузка, перемещение, контроль, выгрузка и т. п.) операции. В зависимости от соотношения этих операций, а также участия человека в их выполнении различают оборудование неавтоматического, полуавтоматического и автоматического действия и кибернетические машины (роботы). В автоматах все основные и вспомогательные операции выпол- 7 няются оборудованием без участия человека. Если автомат способен производить логические операции, вырабатывать и осуществлять в соответствии со своим целевым назначением программу действия с учетом переменных условий протекания технологического процесса, то он называется самонастраивающимся или кибернетическим. В полуавтоматическом оборудовании вспомогательные операции не механизированы. В неавтоматическом (простом) оборудовании вспомогательные, а также часть основных операций выполняются вручную. В зависимости от сочетания технологического оборудования в производственном потоке различают отдельные единицы (выполняют одну операцию), агрегаты (последовательно различные операции), комбинированное оборудование (законченный цикл операций) и поточные автоматические линии (выполняют все технологические операции в непрерывном потоке). Наконец, по функциональному признаку все оборудование перерабатывающей промышленности можно разделить на группы, в которые входят машины и аппараты, отличающиеся воздействием на продукт и конструктивным оформлением. Детальная классификация оборудования по функциональному назначению подробно изучается в курсах «Технологическое оборудование для переработки продукции животноводства» и «Технологическое оборудование для переработки продукции растениеводства». 3. Этапы конструирования машин При проектировании машин выделяют следующие, наиболее характерные, типовые действия инженеров: – использование известного технического объекта с известными характеристиками; – выбор технического объекта с характеристиками, обеспечивающими осуществление заданного процесса; – создание нового технического объекта или его частей – конструкции нового технического средства. Действия с замыслами можно ограничить проектированием, когда его цель состоит в использовании технического средства известной конструкции. При отсутствии желаемой конструкции проектирование должно быть дополнено конструированием нового технического средства. Под конструированием понимается разработка конструкторской документации, объем и качество которой позволяют изготовить новое техническое средство или систему с соблюдением всех требований машиностроительной технологии. Конструкторская документация является результатом творчества инженера-конструктора, средством, с помощью которого он выражает свои мысли и доводит их до изготовителей оборудования. Разработка, создание и постановка на производство новой модели 8 машины независимо от ее функционального назначения и конструктивных особенностей осуществляются согласно ГОСТ 15.001-88 по единой общепринятой схеме, состоящей из следующих основных стадий: – разработка технического задания; – разработка технической и нормативно-технической документации; – изготовление и испытания опытных образцов; – приемка результатов разработки; – подготовка и освоение производства. Техническое задание является основным исходным документом для разработки нового изделия. Оно содержит основные техникоэкономические требования к изделию, определяющие его потребительские и эксплуатационные характеристики, а также сроки выполнения необходимых стадий разработки конструкторской документации и ее состав. Техническое задание разрабатывается как организацией, которой необходимо данное изделие, так и организацией, занимающейся конструированием и, возможно, изготовлением данного изделия. В последнем случае техническое задание согласовывается с организацией, которая заказывает это изделие, и утверждается в установленном порядке. В техническом задании обязательно должны быть указаны следующие данные: – назначение изделия и его место в технологическом процессе выработки продукции; – технико-экономическое обоснование введения данного изделия в производство (увеличение выхода продукции; улучшение ее качества; освоение нового технологического процесса; облегчение труда обслуживающего персонала; повышение КПД машины; уменьшение расхода электроэнергии, массы, дефицитных материалов, габаритов, трудоемкости изготовления и т. д.); При создании технологического оборудования следует придерживаться следующих правил: – подчинять конструирование задаче увеличения экономического эффекта, определяемого полезной отдачей машины, ее долговечностью и эксплуатационными расходами за весь период использования машины; – добиваться максимального повышения полезной отдачи за счет увеличения производительности машин и объема выполняемых ими операций; – добиваться всемерного снижения расходов на эксплуатацию машин уменьшением энергопотребления, стоимости обслуживания и ремонта; – максимально увеличивать степень автоматизации машин с целью увеличения производительности, повышения качества продукции и сокращения расходов на труд; 9 Основные требования, предъявляемые к конструированию машин и аппаратов пищевых производств Технологичность конструкции – это совокупность свойств изделия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте. Технологичная конструкция – удобная, стремящаяся к идеальной. Технологичность конструкции оценивается уровнем технологичности конструкции: КУ = К/К6 ≥ 1, где К – показатель технологичности разрабатываемой конструкции, характеризующий один или несколько ее признаков на стадии разработки конструкторской документации; Кб – базовый показатель, принятый за исходный при сравнительной оценке технологичности конструкции изделия. Основные показатели технологичности конструкции: – трудоемкость изготовления изделий; – технологическая себестоимость изделия. Дополнительные показатели технологичности подразделяются на две группы: 1) технико-экономические – характеризуют затраты труда или стоимостных средств на изготовление, эксплуатацию или ремонт изделия; 2) технические – определяют расход и рациональное использование материалов, точность и качество изготовления, унификацию конструкций и технологических процессов. Для анализа и оценки технологичность классифицируют по видам и другим признакам (стадиям разработки и производства изделий, видам изделий при разработке конструкторской и технологической документации, видам процессов изготовления, конструктивным характеристикам изделия). Например, в соответствии с первым признаком рассматривают: 1) производственную; 2) эксплуатационную технологичность конструкции: а) технологичность конструкции при техническом обслуживании; б) ремонтную технологичность конструкции. Различают понятия технологичности конструкции детали, сборочной единицы и изделия в целом. Оценка технологичности конструкции детали может производиться по основным конструктивным характеристикам: форма поверхности, размеры, материал и др. При конструировании МАПП исходят из принципов технологической и конструктивной преемственности. Технологическая преемственность для разрабатываемой машины заключается в выборе таких деталей и сборочных единиц, которые уже применялись в других машинах и технология изготовления которых 10 уже освоена промышленностью. Конструктивная преемственность при конструировании новой машины заключается в использовании предшествующего опыта машиностроения, во введении в разрабатываемый образец всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин. Иногда полезно использовать метод инверсии (обращение функций, форм и расположения деталей) – т. е. бывает выгодно поменять детали ролями: ведущую деталь сделать ведомой, направляющую – направляемой, неподвижную – подвижной, наружный конус заменить внутренним, что дает определенную эффективность конструкции изделия. Стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации и требований безопасности. Стандарт может быть: 1) в виде документа, содержащего ряд требований (норм), подлежащих обязательному выполнению; 2) в виде основной единицы или физической константы (ампер, вольт, метр, g = 9,81 м/с2, π = 3,14...); 3) в виде какого-либо предмета для физического сравнения (эталон метра). Степень стандартизации оценивается коэффициентом: ηc=(Nс/N)100%, где Nс, N – число стандартных деталей и общее число деталей. Составными частями стандартизации являются унификация и типизация. Унификация – рациональное сокращение числа видов, типов, марок и типоразмеров изделий одинакового функционального назначения; составных элементов этих изделий; основных и второстепенных размеров; допусков и посадок; марок материалов; способов изготовления; технологических указаний; технической документации и т. п. Виды унификации: – межтиповая; – отраслевая и межотраслевая; – унификация деталей, сборочных единиц и машин; – унификация конструктивных элементов машин и аппаратов; – унификация марок и сортамента материалов, электродов, типоразмеров крепежных и других стандартных изделий; – унификация технической документации. Для оценки достигнутого уровня стандартизации и унификации используют систему показателей: 1) коэффициент применяемости (является обязательным): Кпр= (n-n0)/n, где п – общее количество изделий; п0 – количество оригинальных изделий (оригинальные – разработанные впервые для этого изделия); 11 2) коэффициент повторяемости: Кп=N/n , где N – общее количество составных частей изделия; 3) коэффициент межпроектной (взаимной) унификации: K м.у. H n i 1 i H i 1 Q , ni n max где Н – общее количество рассматриваемых изделий; ni – количество типоразмеров составных частей в i-м изделии; Q – количество типоразмеров составных частей, из которых состоит группа из n изделий; nmах – максимальное количество типоразмеров составных частей одного из изделий, входящих в эту группу; 4) коэффициент унификации группы изделий: m K Пi Ц i i 1 пр i Kг , m Пi Ц i i 1 где т – количество изделий в группе; i – порядковый номер изделия в группе; Knpi – коэффициент применяемости i-го изделия; Пi – годовой выпуск i-го изделия; Цi – оптовая цена i-го изделия. Типизация – это разработка и установление типовых конструктивных или технологических решений с общими техническими характеристиками. Образование производных машин на базе унификации производится следующими методами: 1. Секционирование – разделение машины на одинаковые секции и образование производных машин набором унифицированных секций. Секционированию хорошо поддаются транспортеры – ленточные, скребковые, цепные, ковшовые элеваторы и т. д., дисковые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные насосы. 2. Метод изменения линейных размеров – изменение длины машины или агрегата с сохранением формы поперечного сечения. Метод применим главным образом к роторным машинам (шестеренные и центробежные насосы, компрессоры, валковые машины, мешалки и т. п.). 3. Метод базового агрегата – применение базового агрегата, превращаемого в машины различного назначения присоединением к нему специального оборудования (дорожные машины, самоходные краны, погрузчики, сельскохозяйственные машины, кухонные комбайны). 4. Конвертирование – использование базовой машины или основных ее элементов для создания агрегатов различного назначения. Пример – перевод поршневых двигателей внутреннего сгорания с одного вида топлива на другой – бензиновых в газовые; компрессоров воздушных – на фреон, аммиак (NH3). 5. Компаундирование – метод параллельного соединения машин, применяемых с целью увеличения общей мощности или производи- 12 тельности установки. Установка двух и более двигателей на крыле самолета. 6. Модифицирование – переделка машины с целью приспособить ее к иным условиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции. 7. Агрегатирование – создание машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине. 8. Комплексная стандартизация – метод, близкий к агрегатированию. Используется для агрегатов простого типа: отстойники, выпарные установки (днища, трубные решетки, трубы, фланцы и др.). Материалоемкость и облегчение деталей и узлов Различают материалоемкость структурную и удельную. Структурная материалоемкость позволяет исследовать рациональность выбранной номенклатуры материалов, возможность исключения дорогостоящих и дефицитных материалов, использования стандартных профилей проката и т. д. Удельная материалоемкость – отношение объема к основному параметру машины (мощность, производительность и т. д.): m m 1 V V N p1 p2 N 2 . Удельная материалоемкость (т. е. на единицу техникоэкономических характеристик) необходима для сравнения машин одинакового эксплуатационного назначения, но различной мощности, разной производительности и др. Основные направления снижения материалоемкости: 1. Снижение массы. 2. Повышение коэффициента использования материала (отношение основного параметра машины к массе). 3. Выбор рационального материала. 4. Унификация узлов и деталей. 5. Рационализация конструктивных схем путем устранения излишних запасов прочности, замены металлических материалов неметаллическими, применения прочных материалов. Снижение массы. Один из способов – рациональное нагружение деталей, когда напряжения будут одинаковы в каждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения. Это возможно, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (сжатие-растяжение). Таким образом достигается равнопрочность. При изгибе, кручении и сложных состояниях напряжения распределяются по сечению неравномерно (т. е. нужно стараться по возможности осуществить замену изгиба и кручения 13 растяжением-сжатием). Удаление слабонагруженного центра сечения обеспечивает более равномерное распределение напряжений. Рис 1. Схема удаления слабонагруженного центра сечения Увеличение наружного диаметра (рис. 1в) позволяет привести напряжения к прежнему уровню и при дальнейшем увеличении dH даже снизить их. На рис. 2 приведено изменение схемы нагружения шатуна: а и б – шатун работает на изгиб; в – шатун работает на сжатие, масса его будет меньше. Для материалов с асимметрией прочностных свойств, сопротивляющихся сжатию лучше, чем растяжению (серый чугун, пластики), Рис. 2. Схема разгрузки шатуна от изгиба Рис. 3. Влияние вида нагружения: растяжение болтов (а) заменено на их сжатие (б) соотношение между максимальным напряжением сжатия и растяжения 14 целесообразно увеличивать в отношении пределов прочности при сжатии и растяжении. На рис. 3 приведены нецелесообразная (а) и рациональная (б) конструкции литого кронштейна из серого чугуна, подвергающегося изгибу. Одним из направлений облегчения деталей является удаление металла из явно мало напряженных участков, находящихся в стороне от силового потока (рис. 4). Шестерни 1 типа дисков (см. рис. 4а) целесообразно облегчать удалением металла из мало нагруженных участков 2. На рис. 4б приведен пример утончения фланца по направлению к периферии. В конструкциях пазового поводка (см. рис. 4в) облегчение достигнуто изменением наружной конфигурации диска поводка и уменьшением толщины диска. Ширина рабочих граней пазов, определяющая несущую способность поводка, сохранена прежней путем окантовки пазов. На рис. 5 приведено изменение конструкции вала для достижения равнопрочности. Рис. 4. Конструктивные способы облегчения деталей: а – шестерни; б – фланцев; в – пазового поводка Рис. 5. Изменение конструкции вала для достижения равнопрочности 15 Повышение коэффициента использования материала: – замена поковок литыми деталями; – получение заготовок с помощью горячей или холодной штамповки (рис. 6); – применение стандартных и специально облегченных профилей. Наибольшие возможности уменьшения массы заложены в применении рациональных конструктивных схем с наименьшим числом деталей и наиболее выгодным течением силового Рис. 6. Листовые штампованные конструкции потока. Сокращение звеньев механизма и устранение излишних звеньев способствуют значительному снижению массы машины. Примером рационального размещения деталей с целью уменьшения объема и габаритных размеров может служить двухступенчатый редуктор. Исходную конструкцию (рис. 7а), выполненную по обычной трехвальной схеме, можно сделать более компактной и легкой, если конечное зубчатое колесо 4 перебора установить соосно с начальным колесом 1 (см. рис. 7б, двухвальная схема). Рис. 7. Совершенство конструктивной схемы редуктора При таком расположении колес 1 и 4 значительно снижаются силы, действующие на промежуточные колеса 2 и 3 и определяющие нагрузку на подшипники. На рис. 7а силы Р1 и Р2 от начального и конечного колес направлены в одну сторону; их результирующая R' значительна. На рис. 7б силы Р1 и Р2 направлены в разные стороны, благодаря чему результирующая R' уменьшается почти в 2 раза. 16 Масса конструкции во многом зависит от силовой схемы. Силовая схема рациональна, если силы замыкаются на коротком участке элементами, работающими на растяжение или сжатие. Привод роторной машины 1 через редуктор 2 и коническую шестеренную передачу 3 (рис. 8 а) нерационален. Рис. 8. Улучшение силовой схемы Возникающие на шестернях радиальные и осевые силы нагружают валы и корпуса машины и редуктора. Целесообразен привод от фланцевого электродвигателя через соосный редуктор 4, смонтированный непосредственно на корпусе машины (см. рис. 8б). В этом случае реактивные силы привода уравновешиваются наикратчайшим путем в корпусе редуктора, не вызывая дополнительных нагрузок на элементы системы. Габариты установки резко сокращаются. Способы упрочнения материалов 1. Горячая обработка давлением – упрочнение происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру с ориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки примесей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле (рекристаллизация – из обломков кристаллитов возникают новые мелкие зерна). Направление волокон должно быть согласовано с конфигурацией деталей и направлением действия рабочих нагрузок. 2. Легирование – повышение прочности с дифференциальным улучшением частных характеристик: вязкости, пластичности, упругости, жаропрочности, хладостойкости, сопротивления износу, коррозионной стойкости и др. за счет присадки некоторых элементов (М). 3. Упрочняющая термическая обработка (закалка с высоким, средним и низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образование неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций 17 и сильно деформированной атомно-кристаллической структурой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит). Для конструкционных сталей чаще используют улучшение (закалка с высоким отпуском на сорбит), при котором достигается наиболее удачное сочетание прочности, вязкости, пластичности. 4. Упрочняющая химико-термическая обработка – насыщение поверхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование), разновидность термодиффузионного поверхностного легирования – насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов: хромалитирование – насыщение хромом (Сr) и алюминием (А1); сульфоцианирование – насыщение серой (S), углеродом (С) и азотом (N2); бороцианирование – насыщение бором (В), углеродом (С) и азотом (N2); титанирование, бериллизация, борирование, силицирование (Si и Fe2 Si) и т. д. 5. Обработка методами холодной пластической деформации – штамповка. Жесткость конструкции Жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности системы (с наименьшими деформациями). Податливость – понятие, обратное жесткости – свойство системы приобретать относительно большие деформации под действием внешних нагрузок. Жесткость оценивается коэффициентом жесткости, представляющим отношение силы Р, приложенной к системе, к максимальной деформации f, вызываемой этой силой. Для сжатия-растяжения согласно закону Гука P F Ef Ef , f f l l где F– сечение бруса, мм2; l – длина бруса в направлении действия силы. Коэффициент податливости f l . P EF Для кручения М кр GI p кр , l где Ip – полярный момент инерции сечения бруса. Для изгиба P J изг 3 a, f l где а – коэффициент, зависящий от условий нагружения. Жесткость конструкции определяют следующие факторы: – модуль упругости материала (Е – модуль нормальной упругости 18 при растяжении–сжатии, модуль сдвига G – при сдвиге, кручении); – геометрические характеристики сечения (сечение F – при сдвиге, растяжении-сжатии; I – момент инерции при изгибе, полярный момент инерции Iр – при кручении); – линейные размеры деформируемого тела (l); – вид нагрузки и тип опор (коэффициент а). Конструктивные способы повышения жесткости 1. Всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжатием. 2. Для деталей, работающих на изгиб, – целесообразная расстановка опор, исключение невыгодных по жесткости видов нагружения. 3. Рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы, увеличение моментов инерции сечений. 4. Рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие. 5. Усиление заделочных участков и участков перехода от одного сечения к другому. 6. Блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей. 7. Привлечение жесткости смежных деталей. 8. Для деталей коробчатого типа – применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и тому подобных форм. 9. Для деталей типа дисков – применение конических, чашечных, сферических форм; рациональное оребрение, гофрирование. 10. Для деталей типа плит – применение прочных, коробчатых, двутельных, ячеистых и сотовых конструкций. Замена изгиба растяжением-сжатием. При изгибе и кручении нагружены преимущественно крайние волокна сечения, при растяжении-сжатии напряжения одинаковы по всему сечению: материал используется полностью. Жесткость стержней в раскосном кронштейне (рис. 9) видоизменяет условия их работы. Балочный кронштейн (см. рис. 9а) подвергается изгибу. Стержни в раскосном кронштейне (см рис. 9б) работают преимущественно на растяжение-сжатие. Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой (см. рис. 9в). Кронштейн ферменного типа с вертикальным стержнем (см. рис. 9г) значительно менее жесткий, чем кронштейн на рис. 9б, так как конец вертикального стержня под нагрузкой перемещается приблизительно по направлению действия силы и для ограничения деформаций его жесткость не используется. 19 Рис. 9. Схема изменения конструкции балочного кронштейна: а – балочный кронштейн подвергается изгибу; б – стержни раскосного кронштейна работают преимущественно на растяжение-сжатие; в – кронштейн со сплошной перемычкой работает на растяжениесжатие; г – кронштейн с вертикальным участком работает на изгиб На рис. 10а показан случай нагружения цилиндра осевой силой. Нагрузка вызывает прогиб днища цилиндра, передающийся обечайке через пояс сопряжения обечайки с днищем (деформации показаны штриховой линией). Система является нежесткой. При замене цилиндра конусом (см. рис. 10б) система по основной схеме восприятия сил приближается к стержневой ферме стенки. Рис. 10. Конструкции, работающие на сжатие Таким образом, основными принципами конструирования машин являются оптимальность, технологичность, системный подход к вопросам их изготовления, монтажа, эксплуатации и ремонта. 1. Оптимальность: принимаемые решения должны быть наилучшими для конкретных условий изготовления и эксплуатации изделий, т.е. обеспечивать высокую производительность при минимальных энергозатратах. 2. Системность: необходимо учитывать большинство факторов, определяющих надежность изделия (безотказность, жесткость, долговечность), а также эксплуатационные расходы в период эксплуатации. 3. Технологичность: выбор материалов, способов нагружения, технологии изготовления деталей и сборочных единиц. 20 Лекция 2 ВЫБОР КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ 1. Формирование творческих идей для решения инженерных задач При проектировании или модернизации устройства, системы или процесса обеспечивают выполнение ряда условий, связанных с такими факторами, как техническая характеристика и значимость ее показателей, вариантность, техническая осуществимость, затраты времени на разработку, техническая эстетика, экономическая эффективность. В каждом конкретном случае необходим творческий подход к решению поставленной задачи. Инженерное творчество можно определить как успешное мышление, ведущее за пределы известного. Оно дополняет знания, способствуя созданию устройств, которые ранее не были известны. Творчески сконструированные технические устройства часто бывают построены из известных элементов или основаны на известных принципах, сочетаемых с каким-либо новым, оригинальным процессом, способом и т. п. Инженерное творчество ближе к изобретательству, чем к научному исследованию. Однако создание оригинальной конструкции становится часто невозможным без научного исследования, в результате которого получают исходные данные для проектирования. Почти любую творческую идею выделяют из большого числа анализируемых идей. Если рассматривают достаточно большое число вариантов, то вероятность отыскания действительно творческого решения возрастает. Процесс, посредством которого это достигается, можно назвать формированием идей. Для отыскания действительно полезных идей и вариантов решения задачи требуется тщательность, творческое воображение и внутренняя дисциплина. Одним из способов формирования идей является метод ассоциаций. Ассоциация, или связь идей, – это явление, состоящее в том, что человек, наблюдая, слушая, пробуя на вкус или осязая нечто, доступное ему в данный момент, одновременно представляет себе что-то другое, сходное с непосредственно воспринимаемым. Связь идей может дать наибольший эффект в том случае, когда творческое воображение может обращаться к другим идеям и одна идея возникает на основе другой. Обдумывание вариантов решения задачи может происходить и тогда, когда человек выполняет другую работу, не требующую умственного напряжения. Если в голову приходит идея, которая действительно является оригинальной или представляется ценной, то ее как можно быстрее надо записать или засвидетельствовать, иначе она может быть забыта, как только человек начнет размышлять над чем-нибудь другим. При формировании идей и вариантов решения необходимо, чтобы 21 проблема всесторонне анализировалась. Предлагается следующий алгоритм решения проблемы выбора инженерных вариантов конструкций. 2. Обзор литературных источников и патентное исследование Поиск литературы по изучаемому вопросу. Достижение целей, поставленных перед студентом в курсовом проектировании, выполняется на основе глубокого и всестороннего анализа литературы. На начальном этапе работы студент может пользоваться рекомендациями, содержащимися в специальных методических пособиях. Впоследствии возникает необходимость изучать дополнительную литературу. Студент должен найти нужную книгу самостоятельно. Для этого рекомендуется использовать библиотечные систематические и алфавитные каталоги. В библиотеках имеются также систематические предметные и библиографические указатели по различным отраслям знаний и отдельным темам. Просмотр специальных журналов и сборников начинается с реферативных журналов по данной отрасли знаний. Журнальную статью достаточно быстро можно отыскать по указателю статей, помещаемому в конце последнего номера журнала за каждый год издания. Полезными могут оказаться и библиографические сноски, ссылки и указатели в учебниках и монографиях, относящихся к разрабатываемой теме. Патентное исследование. Необходимую и зачастую неоценимую помощь в изучении и поиске методов решения технических задач может оказать патентное исследование. Ключом к оперативному использованию патентной документации является справочно-поисковый аппарат (СПА). В него входит следующее: Система предметного поиска (СПП), которая состоит из указателя классов изобретений (УКИ), алфавитно-предметного указателя к указателю классов изобретений (АПУ) и итогового систематического (группового) указателя (ИСУ). УКИ является основным элементом СПП и отражает структуру и взаимосвязь объектов техники и технических решений. УКИ представляет собой список индексов рубрик национальной классификации, каждая из которых сопровождается словесным обозначением, относимым к данной рубрике. АПУ представляет собой упорядоченный по алфавиту список терминов, каждый из которых сопровождается перечнем индексов классификационных рубрик, соотносимых с данным понятием. СПА – итоговый систематический (групповой) указатель, который является логическим продолжением УКИ. ИСУ представляет собой списки номеров патентов или авторских 22 свидетельств, отнесенных к конкретной рубрике классификации изобретений и составленных в порядке возрастания их номеров. Порядок проведения патентного поиска состоит в следующем: с помощью АПУ и УКИ устанавливают рубрики, соответствующие предмету поиска и по итоговым систематическим указателям определяют искомые номера патентов. В настоящее время классификация изобретений построена по двум принципам: отраслевому и функциональному. При отраслевом принципе объекты распределяют в зависимости от их применения в той или иной области человеческих знаний. Например, машины, орудия, способы, вещества, предназначенные для применения в пищевой промышленности, относятся к классу «Пищевая промышленность». При функциональном принципе объекты располагают в зависимости от основных выполняемых ими функций или производимого ими эффекта. Например, все приспособления для подачи деталей к станкам и агрегатам объединяют под основным функциональным признаком «Подача изделий» независимо от узкоотраслевого применения. Типичным примером классификации, построенной по отраслевому принципу, является германская классификация изобретений. Американская система классификации изобретений построена по функциональному принципу. Классификация изобретений Японии состоит из 155 действующих классов, обозначаемых арабскими цифрами, подклассов, которые обозначаются заглавными буквами латинского алфавита, и групповых делений. В 1954 г. было принято соглашение о международной классификации изобретений (МКИ). В соответствии с этим соглашением каждая страна может применять единую систему классификации в качестве основной или вспомогательной системы. Цель ее – унификация разных систем классификаций изобретений. Система МКИ состоит из восьми основных разделов, располагаемых в логической последовательности. Разделы обозначают главными буквами латинского алфавита от А до Н: А – удовлетворение жизненных потребностей человека; В – различные технологические процессы; С – химия и металлургия; D – текстиль, бумага; Е – строительство; F – прикладная механика, освещение и отопление, двигатели и насосы, оружие и боеприпасы; G – техническая физика; Н – электричество. Каждый раздел делится на подразделы, не имеющие специальных 23 обозначений. Например, G – техническая физика (раздел); 01 – измерение, испытание; В – измерение длины, толщины или подобных размеров. Каждый раздел объединяет родственные классы, которые обозначаются арабскими цифрами от 01, 02, 03 до 90 и располагаются через интервал от индекса раздела. В восьми разделах 172 класса, сейчас используются только 115, остальные – резерв. Классы разделяются на подклассы, обозначаемые строчными латинскими буквами, только согласными, начиная с буквы «В». Гласные остались за теми классами, которые еще не заняты (всего 57). Например: А23g – удовлетворение жизненных потребностей, какао, сахаристые кондитерские изделия, например, карамель. Таким образом, действует 608 подклассов. Последующие (групповые и подгрупповые) деления индексируют следующим образом: группы обозначают нечетными цифрами от 1 и отделяют от индекса подклассов запятой; подгруппы обозначают двухзначными четными арабскими цифрами, располагаемыми после индекса группы через косую линию ( А23G3/06 – для раскатывания карамельной массы, для формования жгута или его калибрования). Результаты патентного исследования оформляют в виде отчета. Для студентов необязательно строгое выполнение отчета по таблицам ГОСТ 15011-82. Однако его можно рекомендовать как наиболее компактную и информационно насыщенную форму отчета на основе таблиц. Руководитель проекта определяет регламент поиска, т.е. формулирует предмет поиска, страны и глубину, рекомендуя при этом и источники. Студент, ознакомившись с источниками информации, систематизирует ее, выбирает патенты-аналоги, оценивает технический уровень предлагаемых решений, выявляет тенденции в развитии объектов-аналогов, оценивает степень новизны разрабатываемого в проекте объекта и необходимость патентной защиты. 3. Проработка конструкций сборочных единиц и деталей Компоновка машины в целом, конструктивных элементов сборочных единиц (узлов) неотделима от выбора конструктивного решения. Ее проводят на всех стадиях разработки. Компоновка, как известно, предопределяет расчлененность машины на сборочные единицы (узлы), взаимное их расположение, соразмерность объемов и эргономические требования, от которых зависят эстетические достоинства изделия. Компоновку начинают с решения главных вопросов – выбора рациональной кинематической схемы, определяющих размеров и формы машины, необходимых для взаимодействия ее с другими устройствами и удобства обслуживания (включая и сборку-разборку при ремонте). При компоновке нужно идти от общего к частному. Не следует заниматься прочерчиванием мелких деталей. 24 Однако надо с самого начала придавать деталям технологически целесообразные формы. Компоновку ведут на основе нормальных размеров (диаметров посадочных поверхностей 0,20, а не 0,19 или 0,21, размеров шпоночных и шлицевых соединений, параметров резьбовых соединений и т. д.), разработанных на базе основных рядов ГОСТ 8032–56. В максимальной степени следует использовать унифицированные стандартные или нормализованные детали в целях большего применения однотипных исполнительных сборочных устройств. Не всегда разработка конструктивных вариантов, компоновка узлов каждого из них идет гладко. В процессе проектирования часто обнаруживают незамеченные ранее недостатки, для устранения которых приходится разрабатывать новые варианты или возвращаться к ранее отклоненным. Ошибочно, если конструктор сразу задается одним направлением, выбирая или первый пришедший в голову вариант конструкций, или принимая за образец шаблонную конструкцию. Отдельные узлы не всегда получаются с первых попыток. Это не должно смущать конструктора. Иногда переходят к проработке следующего узла детали, выполняют необходимый расчет. После некоторого перерыва чертеж не получающегося узла смотрится по-иному, недостатки, допущенные в период первой проработки, станут очевидными. Не следует жалеть времени и усилий на проработку конструкции, рассмотрение вариантов и их оценку. Более глубокая проработка в конечном счете дает выигрыш в стоимости, сроках изготовления и доводки, качестве и величине технико-экономического эффекта машины. Прочерчивание ведут в масштабе 1:1, если допускают габаритные размеры проектируемого объекта. При этом легче выбрать нужные размеры и сечения деталей, составить представление о соразмерности частей конструкции, прочности и жесткости деталей и конструкции в целом. Кроме того, такой масштаб облегчает дальнейшую разработку конструкции, включая деталировку. Если размеры проектируемого объекта не позволяют применить масштаб 1:1, то отдельные агрегаты и узлы прочерчивают в натуральную величину. Чертят со слабым нажимом карандаша, так как в процессе разработки конструктивного решения часто возникает большое количество переделок и поправок. Узлы машины в целом должны иметь простое конструктивное решение, не вызывающее затруднений при ее сборке. При компоновке и вычерчивании отдельных сборочных единиц (узлов) машины или аппарата в целом инженер должен мысленно представлять себе и доступность, и последовательность монтажа, сборки и разборки при ремонте, заранее выбрать инструменты и приспособления, при помощи которых эти операции будут осуществляться. Такой постоянный самоконтроль позволит избежать принятия неконструктив25 ных и нетехнологичных решений, неувязок, а порой и ошибочных решений. Сборка – наиболее сложный и ответственный процесс в общем комплексе производства машиностроительных изделий. Технологичность сборки достигается выполнением ряда требований, которые учитывают при проектировании. 1. Сборочные узлы должны иметь наименьшее количество деталей. Это достигается выбором наиболее простой и рациональной схемы узла, а также объединением нескольких деталей в одну, отвечающую требованиям технологичности. 2. Предусматривается возможность расчленения машины на рациональные технологические узлы, которые возможно одновременно и независимо друг от друга изготавливать и монтировать на базовой детали, например на раме, в корпусе редуктора и т. п. При компоновке машин, аппаратов или других устройств надо думать о том, как и какими средствами их будут транспортировать и доставлять в цех предприятия. Часто даже учет внутренних размеров кабины грузового лифта вызывает необходимость расчленения станины или основной рамы на секции определенных размеров. 3. При компоновке узлов следует принимать во внимание порядок их сборки, учитывая конкретные условия, при которых будут производить изготовление и сборку в хорошо оснащенном механическом цехе или механических мастерских пищевого предприятия. 4. Конструкция узлов должна быть такой, чтобы при установке изделия на базовую деталь и регулировке не требовалось даже частичной разборки. Например, конструкция сборочной единицы, представленной на рис. 1а, неудачна из-за того, что диаметр зубчатого колеса 6 больше Рис. 1. Образец конструкции сборочной единицы: а – нерациональный; б – рациональный; 1 – шкив; 2 – крышка; 3 – корпус; 4 – подшипник; 5 – вал; 6 – зубчатое колесо 26 диаметра D отверстия в корпусе. Поэтому соединение вала 5 с зубчатым колесом 6 необходимо производить при сборке всей конструкции, т. е. вначале следует надеть на вал внутри корпуса 3 зубчатое колесо, затем привернуть к корпусу левую крышку 2, установить и закрепить шкив 1. Процесс сборки и разборки можно упростить, если сконструировать эту сборочную единицу так, чтобы диаметр D отверстия под подшипник 4 был больше диаметра вершины зубьев d зубчатого колеса 6. Это позволит объединить вал 5 с зубчатым колесом 6, крышкой 2, шкивом 1 и подшипниками 4 в одну сборочную единицу, показанную на рис. 1б. Теперь эту сборочную единицу можно собирать отдельно и готовой (после контроля) вставлять в отверстие корпуса 3. Для закрепления левой крышки в шкиве предусмотрены отверстия диаметром d0. Такая конструкция сборочной единицы облегчает разборку и сборку, удобна при ремонте. 5. Конструкция изделия должна предусматривать возможность его сборки без сложных приспособлений путем осуществления простых движений по установке сопрягаемых деталей, подводу и отводу сборочного инструмента, например съемников и других несложных приспособлений. Целесообразно предусматривать резьбовые отверстия для отжимных винтов, заменяющих съемник, рым-болты для подъема тяжелых деталей. Для точной установки сопрягаемых деталей на свое место после разборки следует предусматривать соответствующие установочные метки, контрольные штифты и т. п. Для облегчения сборки деталей по двум поверхностям надо избегать параллельного соединения, а выполнять последовательно-параллельное. При сборке резьбовых соединений следует облегчать свинчивание (наживление) заходными фасками или направляющими элементами. Гайки, расположенные на внутренних поверхностях деталей, надо шплинтовать; гайки, расположенные на наружных поверхностях, – ставить с пружинными шайбами, что облегчает сборку и предотвращает самоотвертывание. Шпонки не должны затруднять сборку деталей. В конструкции, показанной на рис. 2а, соотношение размеров d1и d2 таково, что шарикоподшипник не может быть поставлен на свое место после установки шпонки, что неудобно при сборке. Перепад диаметров d1 и d2 должен быть таким, чтобы шпонка не препятствовала установке подшипника или других деталей (см. рис. 2б). 6. Обеспечение сохранности качества продукта или полуфабриката. Это требование при разработке машин и аппаратов пищевой промышленности является одним из необходимых. Оно может быть выполнено путем применения специальных материалов (нержавеющих сталей, пластмасс и т. п.); уменьшениием длительности обработки продукта; соблюдением требований санитарии и гигиены (возможностью 27 Рис. 2. Образец сборки вала с подшипником и шпонкой: а – нерационально; б – рационально легкой и надежной очистки, промывки рабочих органов, емкостей и трубопроводов). Рабочие органы пищевых машин чистят (промывают) обычно в конце рабочей смены или, в зависимости от конкретных условий, чаще, например при переходе в течение смены на выработку продукта другого сорта. Общие требования санитарии и техники безопасности описаны в специальной литературе. При разработке машин и аппаратов пищевых производств необходимо дополнительно предусмотреть: – конструкцию рабочих органов, предусматривающую возможность самоочистки (выбирать соответствующий наклон стенок, устанавливать взаимосоприкасающиеся элементы рабочих органов, счищающие ножи и т. п.); – доступность рабочих органов для выполнения ручных операций по зачистке (учет требований эргономики, наличие люков и т. д.); – возможность простой разборки (без специальных приспособлений); – предотвращение попадания моющих растворов в подшипниковые узлы, элементы привода, электродвигатели и т. п. (предусмотрение специальных стоков, возможность отсоса, наличие кожухов); – возможность применения моющих растворов с агрессивными составляющими (применение соответствующих материалов, стоков, вытяжек); – отсутствие застойных зон, где мог бы скапливаться продукт. Например, чистка шнеков для подачи теста в тестоприготовительных агрегатах весьма трудоемка. Для облегчения этих операций возможно применение двух самоочищающих шнеков с взаимным зацеплением. 4. Выбор смазочных материалов и устройств Наличие смазочной пленки на трущихся поверхностях защищает рабочие поверхности от интенсивных молекулярных процессов, возни28 кающих при трении. Смазочная пленка устраняет непосредственный контакт между трущимися поверхностями, охлаждает их и уносит вредные продукты износа. Отсутствие смазочного материала между трущимися деталями, хотя бы на короткое время, приводит к значительному усилению процесса трения и к повышенным износам, а иногда к серьезным поломкам. При любых режимах работы машины и различных внешних условиях смазочный материал должен своевременно и в достаточном количестве поступать к рабочим поверхностям. В процессе работы смазочная пленка изнашивается, и в зону трения вводят новые порции смазочного материала. Поэтому важным фактором для обеспечения высокой надежности и долговечности оборудования является правильный выбор режима смазывания, т. е. определения дозы смазочного материала и частоты его подачи. Повышение количества смазочного материала не снижает коэффициента трения и интенсивности изнашивания и приводит к значительному перерасходу смазочных материалов и загрязнению машины. Смазочные материалы подразделяются: по происхождению – на минеральные (нефтяные), растительные и животные (органические, например касторовое, горчичное масло и др.), синтетические (используются в ответственных узлах трения, но дороги); по агрегатному состоянию – на жидкие (нефтяные и растительные), пластичные (технический вазелин, солидол и др.), твердые (графит, слюда, тальк и др.); по назначению – на моторные (двигатели внутреннего сгорания), трансмиссионные, индустриальные, гидравлические (для гидравлических систем), компрессорные, приборные и др. Развитие новых отраслей промышленности требует разработки узлов трения, надежно и длительно работающих при высоких скоростях и нагрузках, в вакууме и т.п. Наиболее перспективны для работы в таких условиях узлы сухого трения. Применение деталей из самосмазывающихся материалов сухого трения эффективно в следующих случаях: – при невозможности постоянной или периодической подачи жидких или консистентных смазок в зону трения; – при недопустимости загрязнения систем и продуктов смазочными материалами (некоторые машины и аппараты пищевой промышленности); – при значительных контактных нагрузках, превышающих несущую способность стандартных смазок; – при низких или повышенных (выше 200°С) температурах, приводящих к замерзанию или окислению смазки (хлебопекарные печи, аппараты для уваривания и т. п.) и в высоком вакууме, когда жидкие и консистентные смазки испаряются. 29 Ниже приведены области применения некоторых типов самосмазывающихся материалов. Материал Бронза ПТФЕ – свинец Бронза MoS2 – графит Кобальт – карбид вольфрама Кобальт – карбид хрома Полиацеталь ПТФЕ (волокна) Эластомер ПТФЕ Нейлон–M0S2–полиамид– графит Бронза – фторопласт 4, сталь нержавеющая – фторопласт 4 Термопластики – стекловолокно Графит – графитовые волокна Применение Подшипники скольжения Самосмазывающиеся сепараторы Твердые износоустойчивые покрытия Для высоких температур Шестерни, втулки, уплотнения Твердосмазочные пленки Втулки, опорные шайбы Подшипники, скольжения, работающие в агрессивной среде или соприкасающиеся с пищевым продуктом Втулки, шестерни Высокотемпературные детали Из этих материалов изготовляют трущиеся детали: втулки подшипников скольжения, направляющие для возвратно-поступательного движения, сепараторы и ролики подшипников качения, зубчатые колеса и шестерни, кулачки и т. д. В качестве смазки в особо быстроходных подшипниках используется воздух или жидкость. Опоры с воздушной смазкой практически не ограничивают скорости вращения валов, работают с малыми потерями и неограниченным ресурсом. Недостатками этой системы являются необходимость высокой точности изготовления и недопустимость перегрузок, приводящих к сухому трению. Воздушные подшипники подразделяются на аэродинамические, в которых воздух самозасасывается в зазор, и аэростатические, в которых воздушная подушка образуется в результате непрерывного поддува сжатого воздуха. Момент трения в таких опорах чрезвычайно мал и частота вращения может достигать 1300 с-1 (например, в гироскопах). В электрических счетчиках применяются магнитные опоры с использованием сил притяжения или сил отталкивания. Магниты изготавливают из высококоэрцитивного сплава. Опоры такого типа работают без смазки, не требуют ухода в течение длительного времени. Смазочный материал, так же как и способы его подачи к трущимся элементам, выбирают на стадии эскизного и технического проектирования в зависимости от назначения машины и условий работы, например от силовых нагрузок, скорости скольжения трущихся поверхностей, места расположения, теплового режима и условий эксплуатации. С целью унификации ассортимент масел, используемых в одной машине или для групп совместно эксплуатируемых машин, должен быть возможно меньшим, поэтому масло следует выбирать с учетом максимальной возможности использования его в равных трущихся па30 рах. При централизованной смазке соблюдение этого условия обязательно. Требуемую вязкость смазочного материала определяют рабочей температурой. С возрастанием вязкости ухудшается подвижность масла, что затрудняет циркуляцию и проникновение его в малые зазоры подшипника. Это особенно важно для периода пуска непрогретых машин, эксплуатируемых при низких температурах окружающей среды. Жидкие смазочные масла применяют для смазки элементов машин, работающих с небольшими нагрузками и при небольших скоростях. Смазку производят вручную индивидуально, без принудительного давления с помощью наливных масленок, а также пресс-масленок. Точечную смазку под принудительным давлением осуществляют одноплунжерными масленками ручного действия (лубрикаторами), а непрерывную смазку без принудительного давления – масленками с фитилями или набивной, наливной капельной масленкой с запорной иглой, а также методом частичного погружения движущихся (вращающихся) элементов машин в масло (масляные ванны). Непрерывная смазка исключает при пуске машины сухое трение. Фитильные и набивные масленки применяют тогда, когда необходима умеренная подача масла при вертикальном или горизонтальном расположении валов. Движение масла по фитилю (сквозь набивку) происходит под действием капиллярных сил. Один фитиль подает от 0,5 до 5 см3 масла в час. Набивные масленки с запорной иглой устанавливают в ответственных местах индивидуальной системы смазки, например в местах установки подшипников скольжения и качения, не требующих обильного количества масла. Смазку в масляной ванне применяют для зубчатых передач, при окружной скорости колес до 12-14, червяков – до 10 м/с, а также подшипников качения, подпятников, цепей, кулачков, роликов и др. Нормы погружения: цилиндрические колеса – 1-5 модулей, конические – 0,51,0 длины зуба, червяки – 1-4 модуля, но не выше центра нижнего шарика подшипника качения вала червяка. Чем меньше окружная скорость элемента машины, тем больше может быть глубина его погружения. Например, медленно вращающиеся зубчатые колеса могут погружаться до половины их радиуса. Смазку зубчатых колес при окружной скорости свыше 12-14 м/с следует производить прерывно под давлением через струйные насадки, подающие масло непосредственно в место контакта зубьев со стороны начала зацепления. Смазку труднодоступных элементов машин, работающих непрерывно, но не требующих обильной подачи масла, можно производить без принудительного давления с помощью групповых капельных масленок, расположенных выше мест смазки, или разбрызгиванием. 31 Трущиеся пары машин, работающие в тяжелых условиях, требуют непрерывной подачи масла под давлением. Для смазки единичных и многоточечных пар применяют плунжерные (многоплунжерные), лопастные или шестеренчатые насосы. Плунжерные насосы применяют для подачи небольшого количества масла под высоким давлением до 10 МПа. Лопастные насосы применяют для подачи масла под давлением до 0,3 МПа. Они компактны, но высота всасывания у них небольшая. Шестеренчатые насосы служат для подачи любых количеств масла под давлением до 1 МПа. Они компактны и имеют небольшую высоту всасывания. Производительность насосов выбирают заведомо больше расчетной на 10-20% для компенсирования падения производительности в результате износа насосов и при возрастании температуры масла. При окончательном решении по выбору конструкторского варианта можно воспользоваться матрицей коэффициентов. При этом эксперты предварительно по каждому фактору определяют средневзвешенный балл. Максимальная сумма баллов характеризует вариант как наиболее близкий к оптимальному решению поставленной задачи 32 Лекция 3 ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ МАШИН 1. Основные понятия и термины теории надежности Надежностью называется свойство объекта выполнять заданные функции при постоянстве эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Быстрое развитие науки о надежности связано с: – задачами безлюдной технологии; – непрерывным форсированием машин, уменьшением их металлоемкости, повышением их силовой, тепловой, электрической напряженности. Теория надежности является комплексной дисциплиной и состоит из разделов: – математическая теория надежности; – надежность по отдельным физическим критериям отказов («физика отказов»); – расчет и прогнозирование надежности; – мероприятия по повышению надежности; – контроль надежности ( испытания, статистический контроль, организация наблюдений) и техническая диагностика; – теория восстановления; – экономика надежности. 2. Законы состояния Законы состояния – это закономерности, описывающие взаимосвязи обратимых процессов, когда после прекращения действия внешних факторов материал (деталь) возвращается в исходное состояние. Классификация закономерностей, оценивающих изменения свойств и состояния материалов Законы старения – это закономерности, описывающие необрати33 мые процессы, т. е. изменения начальных свойств материалов, происходящие в процессе эксплуатации изделия. Статические законы – функциональные зависимости, описывающие связь между входными и выходными параметрами без учета фактора времени (закон Гука, закон теплового расширения твердых сред и др.). Переходные законы – учитывают изменения выходных параметров во времени (колебания упругих систем, процессы теплопередачи и др.). Законы превращения – зависимости, в которых время непосредственно не фигурирует, а связано с другими факторами, которые изменяются во времени (закон коррозии). Законы старения, оценивающие степень повреждения материала в функции времени, являются основным объектом рассмотрения в «физике отказов». 3. Классификация процессов старения Процессы старения классифицируются по их внешнему проявлению на следующие: I. Объемные явления: а) разрушение (хрупкое, вязкое); б) деформация (пластическая, ползучесть, коробление); в) изменение свойств материала (изменение структуры материала, механических свойств – пластичности, химического состава, загрязнение); II. Поверхностные явления: а) разъедание (коррозия, эрозия, кавитация, прогар, трещинообразование); б) нарост (налипание, нагар, заращивание); в) изменение свойств поверхностного слоя (изменение шероховатости, твердости, отражательной способности, напряженное состояние). 4. Общие зависимости теории надежности Рассмотрим эксплуатацию числа N элементов в течение времени t. Пусть к концу срока эксплуатации остается Np работоспособных и п отказавших элементов. В этом случае относительное количество отказов Q(t) Q(t) = n/N. Если N достаточно велико, то Q(t) можно рассматривать как вероятность отказа. Тогда вероятность безотказной работы P(t) Р(t) = Np/N= 1-n/N= 1- Q(t). Из этого следует, что 34 P(t) + Q(t) = 1. 5. Показатели надежности 5.1. Показатели безотказности Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникнет. Средняя наработка до отказа – наработка до отказа невосстанавливаемого изделия (подшипники качения, лампы накаливания). Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого изделия к числу его отказов в течение этой наработки. Интенсивность отказов – показатель надежности невосстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказавших в единицу времени объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными. Параметр потока отказов – показатель надежности восстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки. 5.2. Показатели долговечности Технический ресурс – наработка объекта от начала эксплуатации до предельного состояния. Срок службы – календарная наработка до предельного состояния (в годах). 5.3. Показатели ремонтопригодности и сохраняемости Комплексные показатели включают в себя: – коэффициент технического использования Т раб kТ . И , n Т раб Т рем.i i 1 где Траб – время работы машины за некоторый период эксплуатации; n Т рем.i – суммарная продолжительность ремонтов машины за тот же i 1 период; – коэффициент готовности kГ Т р .с , n Т р .с Т 'рем .i i 1 где Тр.с – время нахождения машины в работоспособном состоянии за 35 n некоторый период эксплуатации; Т ' рем.i – суммарная продолжитель- i 1 ность ремонтов машины за тот же период; – коэффициент долговечности 1 kД , n ti 1 Т i 1 i где Ti – срок службы (наработка) до i-го отказа; ti – продолжительность (трудоемкость) i-го отказа. 36 Лекция 4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ МАШИН Под технологическим расчетом проектируемого объекта обычно понимают совокупность расчетов, связанных непосредственно с параметрами, видом и особенностями технологического процесса, осуществляемого этим объектом. Основной целью технологического расчета является определение исходных параметров, необходимых при выполнении графической конструкторской проработки проектируемого объекта, а также для проведения последующих специальных расчетов его отдельных элементов. Задачи, решаемые при проведении технологического расчета, обычно сводятся к определению основных технологических, конструктивных, силовых, кинематических и энергетических факторов, необходимых на начальном этапе проектирования и являющихся основой для последующего проведения конструкторских и расчетных работ по созданию поточной линии, агрегата, машины или устройства определенного технологического назначения. Результаты технологического расчета дают возможность, опираясь на передовую прогрессивную технологию, обосновать применение в промышленности выбранной поточной линии, агрегата, машины, устройства. При этом предусматривают применение наиболее интенсивных технологических процессов. При компоновке линии, агрегата, машины выбирают оптимальный вариант технологического процесса, транспортные и перегружающие устройства, планировку и т. д. Все эти вопросы решают так, чтобы при соблюдении всех требований к качеству продукции издержки производства были наименьшими, а оборудование имело высокие техникоэкономические показатели. Основной характеристикой работы поточной линии, агрегата, машины или устройства является их производительность, под которой понимают количество (массовое, объемное, штучное) продукции, полученное в единицу времени. При выполнении курсовых и дипломного проектов эта задача приобретает особо важное значение, так как в этом случае студент имеет дело с реальной темой, заданием которой является конкретная разработка объекта или его существенная модернизация. Часто этот объект непосредственно связан с действующим производством в одной из отраслей пищевой промышленности, являясь составной частью определенного производственного цикла, выполняя определенную функцию в общем технологическом процессе. При этом проектируемый объект, как правило, тесно связан технологически или кинематически с другим оборудованием, и их общее взаимодействие позволяет производить качественную продукцию в заданном количестве. Производительность проектируемого объекта должна быть выше 37 фактической (номинальной) производительности поточной линии, где устанавливается этот объект. Если не учесть при проектировании эксплуатационные потери, то заданная выработка продукции на том производственном участке, где устанавливается проектируемый объект, фактически не будет достигнута. Таким образом, производительность П, на которую должен быть рассчитан проектируемый объект, определяют следующим образом: GT GП , П В Э где GT – требуемое количество продукции (массовое, объемное или штучное, шт.); ΣGП – сумма возможных потерь продукции (кг, м3, шт.); τВ – время выдачи продукции (с, мин, ч); ΣτЭ – эксплуатационные потери времени. 1. Определение основных конструктивных параметров оборудования Определение основных конструктивных параметров проектируемого объекта (вместимости, емкости, рабочих объемов, размеров отдельных элементов конструкции и т. д.) в значительной степени зависит от принципа его работы: является ли объект машиной или устройством периодического или непрерывного действия, выдает готовую продукцию на своей стадии технологического процесса в виде отдельных порций (доз, поштучно) или в виде непрерывного потока. В первом случае конструктивные параметры зависят как от величины производительности и времени обработки продукта, так и от времени загрузки и выгрузки. Во втором случае время загрузки и время выгрузки не учитывают, так как они совмещены с обработкой продукта, но при этом должна быть известна (задана или найдена) скорость потока продукта. Для определения конструктивных параметров обычно используют величину объемной производительности W (м3/с), которую находят из отношения: W = G/ρ, где G – массовая производительность (т. е. производительность по массе продукта, выданной в единицу времени), кг/с; ρ – плотность или насыпная масса продукта, кг/м3. Зная объемную производительность W и суммарное время, затраченное на загрузку, обработку и выгрузку определенной рабочей емкости объекта, находят вместимость V (м3) этой емкости: V=WΣτ. Полученную вместимость корректируют, умножая ее на соответствующий коэффициент, учитывающий определенные поправки (на запас емкости, расширение или вспенивание продукта, неравномерное его 38 распределение), а затем определяют габаритные размеры емкости, задаваясь ее формой и некоторыми размерами, исходя из конструктивных соображений. Для объекта непрерывного действия объем элемента, пропускающего поток продукта V (м3), определяется величиной объемной производительности W (м3/с) и временем технологической обработки продукта в этом объеме τ (с) (или временем технологической операции): V =Wτ. Для объекта непрерывного действия определяют скорость потока продукта. Эту величину берут из таблицы или принимают на основании опыта эксплуатации подобных устройств. При известной скорости потока υ можно определить его фактическое сечение F: F=W/υ, а также длину потока L, если при этом происходит его обработка: L = υτ, где τ – длительность технологической операции. 2. Определение основных кинематических параметров рабочих органов Величина фактической производительности проектируемого объекта является исходным фактором для определения основных кинематических параметров рабочих органов. Обрабатывая продукт (непрерывно или периодически), рабочие органы должны иметь определенный ритм движения, двигаться с определенной скоростью или частотой вращения. Это необходимо для получения единицы продукта (или единицы массы) в строго определенный промежуток времени (рабочий цикл), который, как известно, является величиной, обратной производительности машины. Следовательно, определив рабочий цикл машины, можно найти нужный ритм работы ее отдельных рабочих органов, а при известных конструктивных параметрах последних определить их необходимые скорости движения. Такова общая схема определения кинематических параметров проектируемого объекта. Конкретные методы их расчета зависят как от конструктивных особенностей проектируемого оборудования, так и от свойств перерабатываемого продукта, особенностей осуществляемого в машине технологического процесса, видов используемых механизмов и многого другого. Общие рекомендации по определению кинематики машин: 1. По заданной производительности машины определить ритм выдачи изделий. 2. По времени рабочего цикла и известным величинам ходов или шагов исполнительных механизмов определить их скорости и частоту вращения ведущих звеньев. 39 3. Для машин, перерабатывающих массу продукта, можно определить указанные кинематические параметры, пользуясь формулами производительности. 4. Следует помнить, что данные рассматриваемого технологического расчета по определению кинематических параметров являются основными, исходными для дальнейшего проведения кинематического расчета всех приводных кинематических цепей проектируемого объекта. 5. Полученные кинематические параметры основных рабочих органов машины необходимо проверить на оптимальные и критические значения. Например, установлены оптимальные значения скоростей различных жидкостей в трубопроводах. Следовательно, и рабочие органы машины, создающие эти скорости, сами должны иметь определенные параметры движения. Большое значение имеет величина ускорения рабочего органа, так как при большом ускорении возрастает сила инерции, действующая как на обрабатываемый объект, так и на рабочий орган. При большом значении силы инерции (критическом ускорении) может нарушиться запланированная связь рабочего органа и продукта, в результате чего технологическая операция будет выполнена некачественно. 3. Кинематические расчеты При выполнении курсового или дипломного проекта студент в той или иной степени сталкивается с конструкциями машин и аппаратов, имеющих подвижные рабочие органы или детали. Основные параметры их движения должны быть определены заранее. Затем выбирается электродвигатель для привода машины: его типоразмер, мощность и частота вращения ротора. Чтобы передать движение от ротора электродвигателя на рабочий орган, необходима кинематическая цепь, расчет которой является целью кинематического расчета. В общем случае любая кинематическая цепь состоит из следующих частей: двигателя, преобразующего электроэнергию в механическое вращательное движение ротора; передаточных механизмов, распределяющих это вращательное движение между отдельными рабочими органами машины и задающих им требуемые скорости; исполнительных механизмов, начальное ведущее звено которых соединено с передаточным механизмом, а конечное ведомое – с рабочим органом. Исполнительные механизмы служат для преобразования вращательного движения на ведущем звене в необходимое движение рабочего органа, присоединенного к ведомому звену согласно заданным законам и параметрам движения; механизмов управления, контроля и регулирования, выполняющих вспомогательные функции. Исполнительные механизмы задают определенные законы и пара40 метры движения рабочему органу, который непосредственно воздействует на обрабатываемый объект, изменяя его форму, свойства состояния или положение. Существует большое разнообразие исполнительных механизмов технологических машин, выполняющих самые различные функции. Однако, несмотря на разницу в функциональных назначениях механизмов отдельных видов, в их строении, кинематике и динамике много общего. Это вызвано тем, что для привода рабочих органов в основном применяются типовые схемы простейших базисных механизмов, например кривошипно-ползунных, кулисных, четырехзвенных, кулачковых, храповых и т. п. Для проведения кинематического расчета необходима кинематическая схема машины, на которой изображены все элементы привода, начиная от электродвигателя до рабочих органов, их соединение и взаимоположение, направленное на осуществление, управление, регулирование и контроль заданных законов движения. Элементы схемы изображают без соблюдения масштабов. Однако желательно соблюдать взаимоположение и соотношение между их размерами. Кинематический расчет привода машины предполагает определение всех основных кинематических параметров ее привода. Эти данные обычно должны быть указаны затем на кинематической схеме и, кроме того, необходимы для расчета элементов привода на прочность. Кинематический расчет исполнительных механизмов, составляющих кинематическую группу звеньев, предполагает: определение параметров и характеристик основных исполнительных движений; диапазонов изменения положений отдельных звеньев и рабочих органов; пределов регулирования различных параметров движения; размеров, определяющих пределы перемещений (длину перемещения или угол поворота исполнительного органа); передаточные отношения отдельных кинематических пар, входящих в исполнительный механизм; коэффициенты срабатывания; направления вращения или перемещения элементов, от которых зависит получение заданных исполнительных движений и их согласованность (синхронность); специальные режимы работы, от точного соблюдения которых зависит точность и надежность работы исполнительных механизмов. Кинематический расчет передаточных механизмов включает: 1. Определение общего передаточного отношения uобщ от вала электродвигателя, имеющего частоту вращения пэл, до вала, на котором крепится ведущее звено исполнительного механизма nвд: uобщ =nэд/nвд. 2. Распределение общего передаточного отношения всей кинематической цепи привода между отдельными передаточными механизмами, составляющими эту кинематическую цепь: Uобщ = u1u2u3…….un, 41 где u1, u2, u3 ... ип – передаточные отношения соответственно начиная от электродвигателя, 1-го, 2-го, 3-го ... n-го передаточных механизмов. Передаточные отношения отдельных механизмов выбирают по справочным данным. 3. Определение конструктивных параметров каждого передаточного механизма. Для зубчатых и цепных передач – определение числа зубьев: uз.п =zвм/zвд, где ZBМ – число зубьев ведомой шестерни или звездочки; zвд – число зубьев ведущей шестерни или звездочки. Для ременных передач – определение расчетного диаметра шкивов Uр.п =Dвм/Dвд, где Dвм и Dвд – соответственно диаметры ведомого и ведущего шкивов. При этом меньшее число зубьев или меньший диаметр шкива выбирают с учетом допустимых норм, указанных в справочных материалах курса «Детали машин» в зависимости от вида передаточного механизма. Передаточные отношения и для различных понижающих передач Тип передачи Зубчатая передача в закрытом корпусе цилиндрическими колесами коническими колесами Открытая зубчатая передача Червячная передача закрытая открытая Цепная передача Фрикционная передача цилиндрическими катками Ременная передача плоским ремнем, открытая то же с натяжным роликом клиновым ремнем Рекомендуемые значения Наибольшее значение 3-6 2-3 3-7 12,5 6,3 15-20 10-40 10-60 3-6 2-4 80 120 8 8 2-5 4-6 2-5 6 8 7 4. Определение частоты вращения валов каждого из передаточных механизмов кинематической цепи из соотношений uз.п =zвм/zвд=nвд/nвм – для зубчатых и цепных передач; Uр.п =Dвм/Dвд= nвд/nвм – для ременных передач. 5. Определение для вариаторов предельных (максимальных и минимальных) значений передаточного отношения и частоты вращения выходного вала. 6. Определение скоростей перемещения поступательно движущихся элементов передаточных механизмов (винтов, гаек, реек, плунжеров, толкателей и т. д.) по соответствующим формулам. 42 4. Разработка циклограмм Выполнение курсового или дипломного проектов, связанных с созданием машины для механизации производства или модернизацией действующего технологического оборудования, предполагает глубокие знания, с одной стороны, технологического процесса, осуществляемого машиной (порой расчлененного на отдельные простейшие операции), с другой – знания законов движения рабочих органов машины, осуществляющих эти технологические операции. Последнее неразрывно связано со структурой построения исполнительного механизма, в состав которого входит обрабатываемый инструмент, и кинематикой движения отдельных звеньев этого механизма. Конструкторский документ, связывающий технологический процесс переработки продуктов, выполняемый машиной, с кинематикой движения рабочих органов, осуществляющих эту переработку, называется циклограммой. Циклограмма представляет собой совокупность диаграмм, изображающих последовательность, продолжительность и соотношения рабочих и холостых ходов, а также остановок (выстоев) рабочих органов машины при выполнении ею заданных технологических операций в пределах одного кинематического цикла – Тк (с). Она дает наглядное представление о согласованной работе отдельных механизмов, приводящих в движение рабочие органы машины, направленной на выполнение технологических операций. По циклограмме машины можно также определить кинематическое взаимодействие всех ее рабочих органов в любой момент времени и при необходимости найти конкретные значения таких параметров, как величина перемещения, скорость и ускорение. По принципу построения циклограммы могут быть двух видов. 1. Циклограммы интервалов времени или углов поворота распределительного – управляющего вала (РУВ). Обычно их для краткости называют циклограммами интервалов. 2. Циклограммы абсолютных перемещений рабочих органов. Обычно их называют синхронными диаграммами или синхрограммами. По форме графического изображения циклограммы могут быть линейными и круговыми. Линейные циклограммы интервалов строят на горизонтальной оси времени t или угла φ, поворота РУВ в определенном масштабе μt или μφ, показывающем, сколько секунд на циклограмме соответствуют 1 мм оси t, или соответственно сколько градусов (или радианов) поворота РУВ соответствуют 1 мм оси φ. В целях получения наиболее полной информации оси времени и углов поворота РУВ совмещают в одну, указывая на ней обе эти величины, так как обычно угловая скорость ω (рад/с) РУВ постоянна, поэтому φ = ωτ, следовательно, время и угол поворота РУВ пропорциональны друг другу. При построении вначале задаются величиной отрезка t или φ в пределах размеров поля чертежа (мм). Затем, зная кинематический цикл ма43 шины Тк (с), который обычно соответствует одному обороту РУВ, т. е. φ = 2π рад или φ = 360°, определяют масштабы μt (с/мм) и μφ, (рад/мм или град/мм). Для удобства дальнейшей работы с циклограммой сверху или снизу ее сразу же строят горизонтальную шкалу времени или углов поворота РУВ или совмещенную шкалу этих двух величин в пределах одного кинематического цикла. Затем по вертикали намечают определенное количество строк по числу рабочих органов машины, работу которых надо синхронизировать, строки нумеруют. Первую строку сверху обычно отводят для основного рабочего органа, цикл которого определяет работу всех остальных механизмов и обеспечивает ритмичную работу всей машины в целом в соответствии с заданной производительностью или цикличностью работы соседнего оборудования или всей поточной линии. Таким основным рабочим органом может быть конвейер, ротор, штамп, нож или какой-либо другой четко фиксируемый исполнительный механизм. За начало отсчета принимают обычно момент начала интервала рабочего хода или выстоя этого основного механизма. Например, в машинах-автоматах II класса основным механизмом следует считать ротор (или конвейер), передающий периодически обрабатываемые изделия с одной рабочей позиции на другую. И за начало отсчета следует принять момент остановки ротора, который служит как бы сигналом для начала работы всех рабочих органов, участвующих в обработке изделий на всех рабочих позициях. Отложив в первой строке отрезки, соответствующие продолжительности рабочего и холостого ходов, а также выстоя основного рабочего органа, приступают к подобной операции в следующей строке для второго рабочего органа и т. д. При этом особое внимание обращают на совмещение интервалов каждого механизма со всеми другими так, чтобы обеспечить их синхронную работу в пределах цикла Тк. По окончании разбивки каждой строки на соответствующие интервалы в конце каждого интервала проводят вертикальную линию (в пределах строки), получая прямоугольники, внутри которых делают краткие надписи – названия этих интервалов. Иногда одноименные прямоугольники заштриховывают одной штриховкой или закрашивают одним цветом. Тогда получают более наглядную циклограмму, на которой легче проследить взаимодействие рабочих органов машины. Встречается и такая форма линейной циклограммы, при которой интервалы рабочего хода изображают условно прямой восходящей линией, интервалы холостого хода – прямой нисходящей линией, а интервалы выстоя – горизонтальной прямой. При этом высоту получающихся трапеций выбирают для компактности изображения не очень большой и одинаковой для всех рабочих органов. Однако при курсовом и дипломном проектировании такой вид циклограммы лучше не применять, так как он напоминает зрительно синхрограмму, но законы движения рабо44 чих органов при этом не соответствуют действительности. Поэтому, если позволяет место, то лучше строить более современный вид циклограммы – синхрограмму. На синхрограмме в пределах строк для каждого рабочего органа строят диаграммы их перемещений в пределах интервалов движений. При этом горизонтальную ось времени или углов поворота РУВ строят так же, как и для циклограммы интервалов, а на вертикальной оси для каждой строки (рабочего органа) также в масштабах откладывают линейные перемещения S (мм) рабочего органа, если он перемещается поступательно, или угловые перемещения (рад или град), если рабочий орган совершает вращательное движение. Соответственно масштабы ординат μs или μφ будут определяться отношением поступательного хода S (мм) или угла поворота φ (рад или град) к величине ординаты (мм) на диаграмме, изображающей это перемещение, т. е. получим μs (мм/мм) и μφ (рад/мм или град/мм). Таким образом, полученная синхрограмма какого-либо рабочего органа представляет собой диаграмму, изображающую закон движения рабочего органа в виде зависимостей S=f(t) и φ=f(t) или S=f(φ) и φ=f(φ). Синхрограммы имеют следующие преимущества перед циклограммами. Они позволяют определять перемещение рабочего органа в любой момент его движения, т. е. его местоположение в пространстве; законы изменения скорости и ускорения рабочего органа и их величину в любой момент движения, т. е. проводить кинематический анализ механизма; динамические усилия, действующие на звенья механизма, и законы их изменения, что при известных технологических усилиях и силах сопротивления дает возможность проводить и динамический анализ механизма; поскольку известно положение рабочих органов, то определяя траектории их движения по синхрограмме, возможно проводить совмещение перемещений обрабатываемых инструментов без опасности их столкновения во время обработки изделий. Это позволяет уплотнить кинематический цикл машины, что приводит к уменьшению рабочего цикла, т. е. в конечном итоге – к повышению ее производительности. Составление циклограмм является необходимой стадией проектирования или модернизации циклических машин-автоматов. При этом в зависимости от темы проекта эту работу можно проводить в двух направлениях. 1. Если задана производительность, то в зависимости от класса машины можно определить ее кинематический цикл. Затем в пределах этого цикла последовательно по каждому рабочему органу распределяют основные интервалы движения и выстоя. Если кинематический цикл какого-либо механизма (или нескольких механизмов) не будет укладываться в кинематический цикл машины, то требуется совмещение движения соответствующих рабочих органов. 45 Для этого подбирают (или рассчитывают) законы движения рабочих органов и строят синхрограмму всей машины или той ее части (сборочной единицы), куда входят рабочие органы, движение которых необходимо совместить. Решающую роль в составлении циклограммы играет правильный выбор основного первого рабочего органа и рабочего органа, осуществляющего основную наиболее длительную – «лимитирующую» или наиболее энергоемкую операцию. Если кинематический цикл механизма, осуществляющего эту операцию, окажется меньше кинематического цикла машины и в то же время она может быть совмещена с другими, то первый можно несколько «растянуть», соответственно уменьшить скорость во время рабочего хода, что облегчит работу механизма и повысит надежность всей машины. 2. Если проектируют машину, заменяющую ручной труд на какомлибо производственном участке, то в этом случае обычно задают последовательность технологических операций и их продолжительность. Тогда путем дробления наиболее длительных операций до осуществимых пределов добиваются примерно одинаковых кинематических циклов каждого исполнительного механизма или их группы, если их движения совмещены. Возможность таких совмещений выявляют также с помощью синхрограмм при известных траекториях движения рабочих органов. Таким образом, по циклограмме можно определить кинематический цикл машины, а затем и ее производительность. Если полученная производительность не удовлетворяет требованиям производства, то делают подробный анализ циклограммы с целью дальнейшего ее уплотнения путем сокращения кинематических циклов механизмов, интервалов их движения и выстоев, а также совмещения движения рабочих органов. Для отработки метода построения циклограмм и расчета времени совмещения операций рассмотрим простейший пример механизма для закрытия двух клапанов картонного короба упаковочного автомата. На рис. 1а показан короб с раскрытыми клапанами, на рис. 1б – с закрытыми клапанами. Клапаны закрыты внахлестку. Сначала следует закрыть правый клапан, затем – левый. Рис. 1. Схема работы механизма для осуществления операции по закрыванию клапанов картонного короба: а – короб с открытыми клапанами до начала операции; б – короб с закрытыми клапанами после операции; в – схема проведения операции 46 Механизм (см. рис. 1в) состоит из двух рычагов 1 и 2, совершающих повороты на угол 90° над горизонтальным конвейером 3, движущимся с периодическими остановками. Конвейер 3 движется периодически, подавая короб на рабочую позицию. Рычаг 1, поворачиваясь на 90°, закрывает правый клапан короба и возвращается в исходное положение. После этого рычаг 2 закрывает левый клапан короба и возвращается назад в исходное положение. Затем конвейер 3 выводит первый короб с рабочей позиции и подает на нее следующий короб. Подобный механизм может быть установлен в машине II класса и синхронизирован с работой всей машины общим элементом– конвейером 3, который, в свою очередь, может быть линейным или роторным (см. рис. 1в). Таким образом, механизм представляет собой автономную сборочную единицу, выполняющую рабочую операцию закрытия клапанов короба на одной рабочей позиции. В этой машине имеется только одна рабочая позиция. Конвейер 3 здесь является органом, механизирующим подачу короба на рабочую позицию и удаление с нее закрытого короба. Циклограмма интервалов времени механизма показана на рис. 2а, а синхрограмма – на рис. 2б. Для простоты изображения условно принят закон движения рабочих органов с постоянной скоростью. Диаграмма 1 показывает поворот рычага 1 (ОА – рабочий ход вперед за время tPl; АВ – холостой ход назад за время tХ1), диаграмма 2 описывает поворот рычага 2 (ВС – рабочий ход вперед за время tР2, СД – холостой ход назад за время tX2) и диаграмма 3 показывает движение конвейера 3 вперед за время tP3. Отрезки времени t2-1; t3-2; t1-3 называют относительными фазовыми смещениями; они показывают, через сколько времени начинает работать каждый последующий механизм по отношению к предыдущему. Рабочий цикл машины Тр равен кинематическому циклу механизма ТK, который определяется как сумма этих фазовых смещений: Тр – TK = t2-1+ t3-2+ t1-3. Углы поворота распределительного вала φ 2-1+ φ 3-2+ φ 1-3, соответствующие фазовым смещениям, называются относительными фазовыми углами; они показывают, на какой угол должен повернуться распределительный вал, чтобы началась работа следующего механизма. При монтаже машины кулачки устанавливаются и заклиниваются на распределительном валу в соответствии с циклограммой по фазовым углам. Для повышения производительности машины путем сокращения кинематического цикла механизма можно совместить движение рычага 2 с движением рычага 1 так, чтобы они не столкнулись в точке а (см. рис.1а). Измерим угол φа, соответствующий положению рычага 1 в точ47 ке а при его движении ходом назад, отложим его на синхрограмме и найдем точку а на диаграмме холостого хода. Рис. 2. Циклограммы механизма для закрывания клапанов: а – линейная циклограмма для последовательной работы рабочих органов; б – синхрограммы для того же случая; в – синхрограмма при совмещении движения первого и второго рычагов; г – синхрограмма при совмещении движения всех рабочих органов Для определения возможного совмещения передвинем влево диаграммы 2 и 3 так, чтобы линия рабочего хода ВС рычага 2 прошла несколько позднее точки а (см. рис. 2в). Тогда эта диаграмма пересечет ось абсцисс в точке В' и определит новое фазовое смещение рычага 2, причем t'2-1<t2-1. Следовательно, мы получим новый кинематический цикл T’к, меньший, чем он был до совмещения движения: T’р = T’к = t2-1+ t3-2+ t1-3Тк . Можно также начать движение конвейера 3 до того, как рычаг 2 48 придет в исходное положение, необходимо только, чтобы короб не натолкнулся на рычаг 2 в точке в. Измерим угол φв (см. рис. 1в), соответствующей положению рычага 2 в точке возможного столкновения в, отложим его на диаграмме холостого хода CD' рычага 2 (см. рис. 2в). Затем сдвинем диаграмму D'E' конвейера влево так, чтобы он прошел несколько позднее точки в (см. рис. 2г). D"E" отсечет на оси времени новое фазовое смещение t'3-2. Оно меньше, чем было ранее t3-2. Кинематический цикл Tк в этом случае опять сократится и станет: T"р = Т"к = t"2-1+ t"3-2+ t1-3<Т’к <Tк . В целях дальнейшего сокращения кинематического цикла и повышения производительности машины можно совместить таким же образом поворот рычага 1 с движением конвейера; поворот можно начать до того, как конвейер остановится. Полное совмещение рабочих органов, при котором Тк был бы наименьшим, в этом механизме невозможно, так как рабочие органы и короб могут столкнуться и, кроме того, клапаны для закрытия внахлестку не могут закрываться одновременно. 49 Лекция 5 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ МАШИН Энергетический расчет предполагает определение основных силовых параметров проектируемого объекта, т. е. определение нагрузок на рабочие органы конструкции, находящиеся в соприкосновении с продуктом и обрабатывающие его, а также влияния внешних сил, давлений, сопротивлений, сил тяжести и сил инерции на отдельные элементы или детали. Ввиду большого разнообразия машин, применяемых на предприятиях пищевой промышленности, и продуктов, перерабатываемых на этих машинах, очень трудно дать общие и довольно точные методы определения нагрузок на рабочие органы этих машин и звенья механизмов их привода. Поэтому в каждом отдельном случае, пользуясь знаниями, полученными при изучении общетехнических и специальных дисциплин, следует уметь произвести структурный анализ механизмов, выделить в нем звенья, наиболее подверженные нагрузкам, и определить действующие на них силы. Определение сил, действующих на рабочие органы и детали конструкции, имеет большое практическое значение для расчета на прочность деталей, для определения энергии, потребной для работы механизма, трения в кинематических парах; для расчета на надежность и долговечность элементов конструкции и т. д. Зная силы, действующие на различные детали проектируемого объекта, можно выбрать наиболее рациональные их размеры; определить их оптимальные формы с учетом прочности и жесткости конструкции; обоснованно назначить материалы для их изготовления, их технологическую и термическую обработку; обеспечить определенное количество и качество смазочных материалов и т. д. В соответствии с современными требованиями все быстроходные элементы конструкции, помимо статических расчетов (исходящих из условия равновесного состояния отдельных звеньев конструкций, находящихся в покое), необходимо рассчитать на динамические нагрузки (возникающие от сил инерции движущихся масс), которые возникают при движении звеньев механизмов и часто значительно превышают статические силы. Определение сил, действующих на различные звенья механизма при его движении, как известно из курса «Теоретическая механика», может быть сделано в том случае, если известны законы движения всех звеньев механизма и внешние статические и динамические нагрузки, приложенные к ним. В общем случае можно выделить следующие основные силы, действующие в машинах. 1. Силы производственного сопротивления (технологические силы), на преодоление которых затрачивается работа, необходимая для 50 выполнения технологического процесса. Величина этих сил зависит от многих факторов, например, от физико-механических свойств перерабатываемого продукта, скорости обработки, температурных режимов обработки, производительности машины, внешних условий и многого другого. Правильное определение этих сил имеет чрезвычайно важное значение, так как от того, насколько точно они будут найдены и их расчетная величина будет соответствовать истинным нагрузкам при работе машины, будет зависеть правильность последующего расчета на прочность основных органов машины и элементов их привода, а следовательно, их прочность, надежность и долговечность. 2. Силы непроизводственных сопротивлений (в основном силы трения), на преодоление которых затрачивается дополнительная работа сверх той, которая необходима для преодоления полезного сопротивления. Эти силы определяют как произведение силы нормального давления PHi на коэффициент трения fi в каждой трущейся паре: Ti = PHi fi. Если производственное или непроизводственное сопротивление связано в той или иной мере с гидродинамическим процессом (сопротивление жидких сред при перемещении, вязкостное трение и т. д.), то можно рекомендовать использование закона Ньютона для определения силы сопротивления тела, движущегося в среде жидкости Р (Н): P=cρFυ2, где ρ – плотность жидкости, кг/м3; F – площадь проекции сечения тела плоскостью, перпендикулярной его скорости, м2; υ – скрость тела, м/с; с – опытный коэффициент; или закона Пуазейля для определения силы вязкостного трения Р (Н): – в прямоугольном канале: bL aL P 8 , Bb Aa где – вязкость жидкости, Па-с; а, b, L. – соответственно ширина, высота и длина тела, м; А, В – соответственно ширина и высота канала, м; υ – скорость движущегося тела, м/с; – в круглом канале: P 4 V R 2 r2 , где V – объем тела, м3; R, r – соответственно радиусы трубы и тела, м; 3. Динамические силы – силы инерции, возникающие при движении элементов конструкции с ускорениями. Для определения сил инерции Ри (Н) используют второй закон Ньютона, по которому сила инерции равна произведению массы тела т (кг) на его ускорение а (м/с2), но с обратным знаком, так как сила инерции и ускорение тела направлены противоположно: Ри = -та. 51 Все указанные силы во время работы машины, как правило, не остаются постоянными, они за определенный промежуток работы (цикл) меняют свое направление и величину. Поэтому очень важно установить тот момент времени, в который элементы конструкции оказываются нагруженными наибольшим суммарным усилием, на которое затем и производят расчет на прочность этих элементов. Этот момент можно установить, построив диаграммы указанных сил за один цикл работы. По этим диаграммам определяют сразу наиболее нагруженный момент работы или намечают несколько таких моментов. Для определения наибольшей суммарной нагрузки можно воспользоваться принципом Д'Аламбера, сущность которого состоит в том, что к определенному звену механизма прикладывают все внешние силы (статические и динамические) с учетом их величины и направления, составляют для полученной системы сил уравнения равновесия, решая которые, находят величину равнодействующей силы в данный момент. Таким образом, найдя равнодействующие силы для нескольких моментов времени (если не удалось его сразу определить), выбирают из них наибольшее значение, которое и является основой для расчета деталей на прочность. Определение потребной мощности. Перечисленные выше параметры: производительность, конструктивные размеры основных рабочих органов проектируемого объекта, действующие на них силы, а также кинематические характеристики в совокупности определяют потребное количество энергии для его привода. Единой методики определения мощности привода машины не существует ввиду большого разнообразия их типов, а также технологических процессов и операций, которые осуществляются на этих машинах, предназначенных для переработки различных продуктов, иногда значительно различающихся между собой и по физико-механическим свойствам. В курсах технологического оборудования предприятий соответствующей отрасли пищевой промышленности можно найти формулы или рекомендации для определения мощности приводов данного в задании типа машины или его аналогов. При этом кроме всех производственных потребителей энергии (полезной работы) следует учитывать и потери энергии на непроизводственные нужды (потери на сопротивление, нагрев, преодоление динамических нагрузок и т. д.). Кроме того, надо учитывать, что в целом ряде технологических машин, перерабатывающих вязкие продукты, пусковая мощность может значительно превысить номинальную, вычисленную для установившегося режима, в связи с тем, что свойства продукта значительно изменяются при его переработке. Следовательно, необходимо очень внимательно рассмотреть технологический процесс, осуществляемый на проектируемой машине, с тем чтобы определить моменты времени, в которые потребление энер52 гии достигает наибольших значений, и исходя из этих условий рассчитывать мощность привода машины. В основе всех методик расчета мощности N (Вт) привода машин лежит общее положение, исходящее из самого понятия мощности: при равномерном движении потребная мощность N для его осуществления равна работе А, совершенной в единицу времени, и рассчитывается как произведение силы и скорости. Действительно, при поступательном движении N= A/t=PS/t=Pυ, Вт или N=Pv10-3, кВт, где А – работа, Дж; Р – действующая сила, Н; S – пройденный путь, м; υ – скорость, м/с; t – время, с. Если тело совершает вращательное движение, то его окружная скорость υ – ωR (здесь ω – угловая скорость вращающегося тела и R – его радиус). В этом случае мощность для привода вращающегося тела составит N=PaR. Поскольку произведение PR представляет собой вращающий момент Мвр, то формула примет вид: N = Mвр ω. Таким образом, для определения мощности при вращении тела с постоянной скоростью достаточно знать вращающий момент, равный произведению окружного усилия Р и радиуса вращения R, т. е. плечу приложения силы R–D/2 (здесь D – диаметр окружности) . Поскольку ω = πn/30, то формула мощности примет вид: N=Mврπn/30 Вт, или N=Mврn10-4 кВт, где n – частота вращения вала, об/мин. Таким образом, если нагрузка в течение определенного интервала времени (например, кинематического цикла) существенно не изменяется, то найдя ее и умножив на скорость рабочего органа, можно сразу определить мощность для приведения в движение этого рабочего органа. Сумма всех мощностей на каждом рабочем органе машины даст общую мощность привода, необходимую для осуществления движения этих рабочих органов. Учтя таким же образом мощность, потребную на преодоление различных сопротивлений, можно найти суммарную мощность, необходимую для преодоления непроизводственных сопротивлений машины. По сумме указанных мощностей можно выбирать мощность приводного электродвигателя машины. Подобным образом можно, как было отмечено выше, найти потребную мощность привода машин, у которых нагрузки во время работы существенно не изменяются. К таким машинам можно отнести, например, смесители, конвейеры, мельницы, валковые нагнетатели и т. д. Наиболее сложным является определение сил технологических сопротивлений, так как они зависят от большого числа факторов: физико- 53 химических свойств обрабатываемого сырья, продукта, реологических и адгезионных характеристик, режима обработки (скорости, давления, температуры) и т. д. Основные из этих сведений можно найти в учебниках и справочной литературе. Однако часто могут встречаться случаи, когда необходимых данных в литературе нет. Тогда целесообразно провести в период преддипломной практики и дипломного проектирования соответствующее исследование и включить его в дипломный проект в качестве отдельного раздела. Лишь в крайних случаях можно принять мощность по известным прототипам отдельных рабочих органов или машин. Если ведущий вал машины совершает вращательное движение с периодическими остановками (например, вал приводится механизмом мальтийского креста, храповым механизмом, звездчатым или другими механизмами), то вращающий момент слагается из двух моментов: Мвр = Мст + Мин, где Мст – вращающий момент, необходимый для преодоления сил сопротивления (сопротивлений обрабатываемых материалов, сил тяжести, сил трения в подшипниках и т. д.); Мин – вращающий момент, необходимый для преодоления сил инерции звеньев механизмов, возникающих вследствие неравномерности их движения. Вращающий момент Мин определяют по формуле Мин = iпр ε, где iпр – приведенный момент инерции механизма, Нмс2; ε – угловое ускорение ведущего вала, с-2. Угловое ускорение рассчитывают применительно к механизму, приводящему в движение ведущий вал, например, к механизму мальтийского креста. Из теоретической механики известно, что мерой инертности поступательно движущегося тела является масса т, а вращающегося тела его момент инерции i: I = mR2, где R – радиус тела. Соответственно кинетические энергии этих тел определяются выражениями: Eп=mυ2/2 и Eвр = Iω2/2. Для того чтобы все звенья механизма двигались, необходимо иметь кинетическую энергию ведущего вала, равную сумме кинетических энергий всех его поступательно движущихся и вращающихся звеньев. Из этого соотношения выводится зависимость для определения момента инерции Jпр механизма, приведенного к его ведущему звену, например ведущему валу: 2 2 i n i I i i , iпр mi вд вд i 1 где i – порядковый номер звена механизма или машины; п – число подвижных звеньев механизма; mi – масса i-го звена, движущегося посту- 54 пательно; υi – средняя скорость i-гo звена, движущегося поступательно; ωвд – угловая скорость ведущего звена (ведущего вала); Ii – момент инерции i-гo вращающегося звена; ωi –угловая скорость i-гo вращающегося звена. Здесь следует заметить, что суммарный, приведенный к ведущему звену момент инерции механизма Jпр – условная величина, выражающая инертность как самого ведущего звена, так и всех подвижных звеньев механизма, т. е. всего механизма в целом. Большое число машин имеет непостоянные нагрузки на рабочие органы и, следовательно, непостоянные их скорости. К таким машинам можно, например, отнести машины поршневого типа – насосы (поршневые и плунжерные), штанговые брикетирующие прессы и др. Для таких машин строят диаграммы всех сил, действующих на рабочие органы с целью нахождения максимальных «пиковых» нагрузок. По этим диаграммам можно определить и потребную мощность на приводе каждого рабочего органа. Для этого поступают следующим образом: если диаграмма сил (статических и динамических) была построена в функции времени, то по известной зависимости пути движения рабочего органа от времени строят диаграмму сил в функции пути (индикаторную диаграмму). Как известно, площадь индикаторной диаграммы за какойто отрезок пути характеризует в определенном масштабе работу сил сопротивления, приложенных к рабочему органу на этом отрезке пути. Заменяя эту площадь равновеликой площадью прямоугольника, построенного на том же отрезке пути, будем иметь ординату этого прямоугольника в качестве движущей силы, необходимой для привода в движение данного рабочего органа. Площадь этого прямоугольника характеризует необходимую работу движущих сил, которую можно вычислить, умножив площадь этого прямоугольника на масштабы пути и силы. Зная время, за которое рабочий орган прошел отрезок пути, показанный на диаграмме, и поделив полученную работу движущих сил на это время, находят необходимую мощность для привода данного рабочего органа. А суммируя полученные таким же образом мощности всех рабочих органов, можно с учетом потерь в передаточных механизмах определить потребную мощность электродвигателя машины и выбрать его по соответствующим стандартам (указать тип и характеристику). Сразу же после этого проверяют привод машины на плавность хода. Для этого можно сложить все построенные диаграммы для всех рабочих органов. Таким образом, на одной суммарной диаграмме будем иметь суммарный график сил сопротивления и прямоугольник от суммарных движущих сил. Та часть площади этой диаграммы, которая выступает за прямоугольник, характеризует избыточную работу сил сопротивления на каком-то отрезке пути. Определив эту работу, можно найти необходимый приведенный момент инерции на главном приводном звене (первом от рабочих органов общем звене, совершающем вращательное движение): iпр = Ас/ωп2 , где iпр – приведенный момент инерции на главном приводном звене, 55 Нмс2; Ас – избыточная работа сил сопротивления, Дж; ωп – среднее значение угловой скорости главного приводного звена на отрезке пути, на котором найдена работа Aс, с-1; δ – коэффициент неравномерности движения на главном приводном звене (δ ≤ 0,02): δ = (ωmax – ωmin) / ωп , где ωmin – минимальная угловая скорость приводного звена, имеющая место при выполнении полезной работы во время рабочего хода; ωmax – максимальная угловая скорость приводного звена, возникающая во время холостого хода, когда полезная работа не совершается. Полученный по формуле действительный момент инерции должен быть обязательно больше необходимого приведенного момента инерции Iпр. Если он получился меньше, то в привод машины надо добавить маховик. Применение в приводе машины маховика снижает коэффициент неравномерности движения звеньев механизмов до допускаемых значений, так как во время холостого хода маховик накапливает кинетическую энергию, а во время рабочего хода отдает ее рабочему органу. После определения потребной мощности на ведущих валах отдельных рабочих органов уточняют кинематическую схему и с учетом КПД отдельных передач определяют мощность на ведущем валу машины. Примерные КПД передач можно принять из таблицы. Примерные КПД некоторых механических передач Тип передачи Зубчатая передача Червячная передача с цилиндрическим червяком при числе заходов червяка 1 заход 2 захода 3-4 захода Цепная передача Фрикционная передача Ременная передача Для одной опоры с подшипником качения Для опоры с подшипником скольжения Обозначения ηз ηч ηц ηср ηр ηпк ηпс В масляной ванне Открытая 0,95-0,97 0,93–0,94 0,70 0,75-0,80 0,80-0,90 0,94-0,97 0,90-0,96 - 0,50 0,60 0,90 0,70-0,88 0,94-0,88 0,99-0,995 0,98-0,99 После расчета потребной мощности на ведущем валу Nвд определяют номинальную мощность N электродвигателя с учетом КПД передач привода: N = Nвд/η. При последовательном соединении передач общий КПД равен произведению частных КПД, например: η = ηр ηч ηз. Часто в машинах кинематическая цепь разветвляется для привода нескольких рабочих органов или транспортирующих устройств. В этих 56 случаях мощности для их привода суммируются на валу, на котором начинается разветвление кинематической цепи. Например, электродвигатель приводит в движение месильный орган через муфту, ременную передачу и червячный редуктор с помощью шарового шарнира, а площадку с дежой – через цепную передачу и червячный редуктор. Выбор электродвигателя привода машины. Электродвигатели привода машины подбирают в зависимости от мощности, потребной для вращения ведущего вала, и его частоты вращения, условий эксплуатации и желаемого конструктивного выполнения двигателя. В приводах машин обычно используют трехфазные электродвигатели переменного тока. Эти двигатели выпускают двух типов: синхронные и асинхронные. Синхронные двигатели работают с постоянной угловой скоростью независимо от нагрузки. Основное преимущество их по сравнению с асинхронными – более высокий КПД, постоянство угловой скорости, большой коэффициент перегрузки; недостатки – более сложный уход, большая стоимость. Трехфазные асинхронные двигатели имеют ряд преимуществ: простота конструкции, меньшая стоимость, простейший уход, непосредственное включение в трехфазную сеть переменного тока без преобразователей. Недостатки их по сравнению с синхронными двигателями – меньший КПД, а по сравнению с двигателями постоянного тока – ограниченная возможность регулирования угловой скорости. Для многих промышленных приводов эти недостатки не имеют существенного значения и поэтому трехфазные асинхронные двигатели более широко распространены. В курсовом и дипломном проектировании, как правило, следует выбирать именно эти двигатели, за исключением отдельных случаев, особо обусловленных в заданиях на проектирование. Для выбора электродвигателя должны быть известны условия эксплуатации (диаграмма нагрузки, температура и влажность окружающей среды и др.), требуемая мощность и частота вращения вала. В соответствии с этими данными выбирают по каталогу электродвигатель и проверяют его на нагрев при установившемся и переходных режимах и при кратковременной перегрузке. На практике подбор электродвигателя в ряде случаев может быть упрощен. 1. При длительной постоянной или незначительно меняющейся нагрузке проверка двигателя на нагрев необязательна (привод вентилятора, насоса, конвейера и т. п.). 2. При повторно-кратковременном режиме работы (привод лебедок, кранов, подъемников и др.) выбирают двигатель с повышенным пусковым моментом с учетом продолжительности включения (ПВ, %). 3. Если машина, для которой проектируется привод, часто включа57 ется и выключается, имеет повышенное статическое сопротивление и значительный динамический момент в период пуска, то выбранный электродвигатель следует проверить по величине пускового момента. Промышленность выпускает для всех отраслей народного хозяйства электродвигатели, которые по роду тока разделяются на следующие типы: 1) двигатели постоянного тока. Они предназначены в основном для приводов электрического транспорта и рабочих машин, в которых требуется частое регулирование скорости рабочих органов; 2) однофазные асинхронные двигатели небольшой мощности, применяемые в приводах бытовых механизмов; 3) трехфазные синхронные двигатели, их применяют, в основном, в машинах большой мощности; 4) трехфазные асинхронные двигатели, они наиболее распространены в различных отраслях народного хозяйства. 58 Лекция 6 РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 1. Расчет рабочих органов измельчителей Молотковые дробилки применяются для одноступенчатого измельчения сырья без последующего применения сортировочных устройств там, где необходимо получить относительно мелко измельченный и однородный продукт. Такие дробилки эффективны при разрушении хрупких продуктов (зерно, кость, соль, сахар) и хуже работают на измельчении влажных и вязких продуктов. В молотковых дробилках продукт измельчается в результате воздействия на него молотков, кожуха дробилки (безрешетные дробилки) и сита. В качестве сит в дробилках используют стальные листы толщиной 1,5-2,5 мм с круглыми отверстиями или продольной формы, длинная ось которых направлена по ходу вращения ротора дробилки. Наибольшее распространение получили дробилки со свободно подвешенными молотками. Рабочий орган такой дробилки выполнен в виде ротора (рис. 1). К параметрам дробилки, которые подлежат расчету, относятся: размеры барабана, показатели кинематического режима работы, размеры и порядок размещения молотков, а также энергетические показатели. Молотки должны вращаться с такой окружной скоростью, Рис. 1. Схема ротора с молотками: при которой обеспечивалось бы 1 – вал; 2 – промежуточное кольцо; первичное разрушение продукта в момент ударов по нему молот3 – диск; 4 – ось;5 – молоток ков. Минимально необходимая скорость определяется исходя из закона изменения количества движения. При этом начальную скорость движения частицы перед соприкосновением ее с молотком принимают равной нулю: υmin=Pt/m, где Р – средняя мгновенная сила сопротивления разрушению частицы, Н; t – продолжительность удара молотка по частице, с; т – масса измельчаемой частицы, кг. При конструировании молотковых дробилок с большими окружными скоростями рабочих органов необходимо считаться с возможным возникновением инерционных сил из-за неуравновешенности ротора, 59 которые могут достигать больших значений. Поэтому при изготовлении деталей ротора дробилки необходимо точное выполнение геометрической формы деталей в соответствии с чертежом. Все молотки должны располагаться строго симметрично по окружности дисков. Наиболее сильные удары происходят при встрече частиц с концами молотков, когда последние занимают наивысшие рабочие положения. Эти удары при неудачной конструкции молотков передаются на всю машину и способствуют выходу ее из строя. Для снижения таких воздействий на машину ударная реакция молотков должна быть уравновешена силой удара. Этого можно достигнуть при условии отсутствия или незначительности ударной реакции в осях подвеса молотков. Учитывая условие равновесия молотка и закона изменения количества движения в момент удара, можно считать, что молоток обеспечит безударную работу при следующих конструктивных размерах (см. рис. 1): R2=lc, где R–радиус инерции молотка относительно оси подвеса, м; l – расстояние от оси отверстия молотка до его рабочего конца, м; с – расстояние между центром тяжести массы молотка и осью его отверстия, м. Для прямоугольного молотка с одним отверстием квадрат радиуса инерции относительно центра массы Rc2 =(а2+b2)/12, где а и b – соответственно длина и ширина молотка, м. Вал ротора, на котором крепятся диски с промежуточными кольцами, выполняется ступенчатым: первая ступень – под шкив, вторая – под подшипник, третья – резьбовая, четвертая – под диски и кольца (втулки). Если в первом приближении считать, что вал будет испытывать переменные нагрузки и малые изгибающие моменты, его диаметр можно определить по формуле do = 0,052 N/ , где N – передаваемая валом мощность, кВт; ω – угловая скорость вала, рад/с. При конструировании дисков ротора необходимо учитывать центробежные силы как от их массы, так и от массы молотков. Тогда суммарное напряжение на образующей центрального отверстия σ = σt max + σt, где σt max – максимальное окружное напряжение в диске постоянного сечения на образующей центрального отверстия, Па; σt,– окружное напряжение на образующей центрального отверстия, учитывающее массу молотков, Па. Вал, диски и оси под молотки изготовляют из обычных конструкционных сталей, а молотки – из легированной термически обработан- 60 ной вязкой износоустойчивой стали, например 30ХГСА. Термообработка стали этой марки заключается в ее нагреве до 880 °С с дальнейшим охлаждением в масле и отпуске при 225 оС. После такой термообработки молотки имеют твердость 39-47,5 HRC. Допускаемые напряжения при смятии и срезе для дисков, изготовленных из углеродистых сталей с временным сопротивлением разрыву 490590 МПа, при спокойном режиме можно принимать до 150 МПа. Обычно их значения [σсм]= 59...88 МПа; [σср]= (0,2...0,3)σт или [σср] = 0,8 [σ], где σт – предел текучести, Па; [σ] – допускаемое напряжение материала при растяжении, Па. 2. Расчет и конструирование рабочих органов вальцовых машин Основным способом измельчения в машинах этого типа является раздавливание материала между двумя рабочими поверхностями. При этом одна из поверхностей или обе должны быть подвижными, так как раздавливание материала происходит только при их сближении. Несмотря на то что в основу действия этих машин положен один и тот же способ измельчения, в конструктивном отношении они значительно различаются. Главным их различием является положение рабочих органов и принцип создания раздавливающих усилий: у одних эти усилия создаются за счет пружин, у других – центробежными силами. К числу измельчителей раздавливающего действия относятся валковые дробилки, вальцовые станки, а также ролико-кольцевые вертикальные и горизонтальные мельницы. Прежде всего определяются следующие основные параметры валковых дробилок: угол захвата материала; наибольший размер захватываемого материала; размеры валков; расстояние между валками. Угол захвата определяется исходя из следующих соображений. На частицу материала А (рис. 2), находящегося между валками, действует сила давления р валка, которая может быть разложена на вертикальную составляющую Рис. 2. К расчету валковой P sin α и на горизонтальную P cos α. дробилки Сила Р вызывает силу трения fР, где f – коэффициент трения между частицей и валком; φ – угол трения. Силу трения также можно разложить на горизонтальную и верти- 61 кальную составляющие. Для того чтобы частица втягивалась между валками и измельчалась, необходимо, чтобы втягивающие силы 2fP cos α при вращении двух валков были больше выталкивающих сил 2P sin α, т. е. должно соблюдаться условие 2fP cos α ≥ 2P sin α, откуда tg α ≤ f. Следовательно, для обеспечения захватывания частицы материала гладкими валками необходимо, чтобы угол захвата α был меньше или равен углу трения между материалом и вальцом, т. е. α ≤ φ. Учитывая, что угол β = 2α, условие дробления материала записываем следующим образом: β = 2φ. В валковых дробилках угол захвата а обычно принимают равным 18°. Наибольший размер dн = 2r частиц, которые могут быть втянуты валками, можно определить как R + е = (R + r) cos α, где е – половина зазора между валками, мм; R – радиус валка, мм. Умножая обе части равенства на 2 и решая его относительно 2r, находим наибольший размер захватываемых частиц: 2 R(1 cos ) 2в 2r . cos или при вплотную сдвинутых валках (2е = 0): 2 R (1 cos ) 2r . cos На практике наибольший размер измельчаемых частиц в 20-25 раз меньше диаметра валков. Основными размерами валков являются их диаметр и длина. Диаметр можно установить из соотношения (рис. 3) Dв/2 + e/2 = (Dв/2 + dн/2) cos α/2, откуда d н cos 2в 2 Dв , 1 cos / 2 Рис. 3. Схема к определению где Dв – диаметр валков, м. размера гладковалковых Для многих материалов коэффициент дробилок трения f = 0,3 и, следовательно, угол трения φ = 17°. Приняв е = dH/4, можно найти ориентировочное соотношение между диаметром валка и начальными размерами исходных частиц сы62 рья. Поскольку α < 2φ, то можно принять α= = 30°, т. е. cos 15° = 0,967, следовательно: 0,967d н 0,25d н Dв 21d н . 1 0,967d н Отсюда следует, что для измельчения материала с коэффициентом трения f = 0,3 при степени измельчения i= dн/dк = 41 (где dн – размер частицы до измельчения, a dк – после измельчения) диаметр валков должен быть примерно в 20 раз больше размера наиболее крупных частиц в исходном сырье. Это соотношение может быть несколько иным при других степенях измельчения и коэффициенте трения измельчаемого материала о металл. Длина валков определяется производительностью дробилки. Ее при равномерной подаче измельченного продукта определяют следующим образом. После измельчения материал выходит непрерывно через щель между валками дробилки в виде разрыхленной ленты, ширина которой равна длине валков L, а толщина – конечному размеру частиц материала dк. Скорость выхода этой ленты принимают равной окружной скорости валка. Приняв насыпную плотность продукта рн и коэффициент разрыхления материала на выходе , определим производительность валковой дробилки (т/ч): G = 3600Ldk(πDвn/60)рн μ , откуда ширина валка (м) L = G / 188,4μρнdкn. Коэффициент разрыхления μ зависит от расстояния между валками. При расстоянии, большем 25 мм, он принимается равным 0,1, менее 6,5 мм – 0,2-0,3, в пределах 7-24 мм – 0,15-0,2. Расстояние между валками обычно регулируют в соответствии с необходимой степенью измельчения материала dк. Известно что при увеличении частоты вращения валков возрастает производительность дробилки. Однако частоту вращения можно увеличивать до определенного предела, превышение которого ведет к усиленному износу валков, повышенному расходу энергии, сильной вибрации машины и возможной поломке ее деталей. Рассмотрим зависимость частоты вращения валков от различных факторов. Измельчаемый материал движется к выходной щели под действием сил трения, возникающих между материалом и поверхностью валков. В начале зоны измельчения скорость движения материала очень мала и ее можно принять равной нулю. Затем эта скорость увеличивается и в некоторый момент достигает окружной скорости валков, причем частицы 63 выходят с этой скоростью из зоны измельчения. Скорость движения материала ωм = аτ , где а – ускорение, м/с2; τ – время, с. Но ускорение а вызывается действием силы трения, и его можно определить по формуле а=Т/т, где Т= P/f; f – коэффициент трения; m= Vρ/g – масса материала, кг; V – объем материала, находящегося между валками, м3. Время, в течение которого под действием сил трения скорость движения материала становится равной окружной скорости валка, определяется из выражения τ = (60/n)(β/360), где β – угол поворота валка, соответствующий времени τ. Силу Р можно приблизительно найти из выражения P∆l/2 = σ2pV/2E, где ∆l – путь, на котором действует сила Р; Е– модуль упругости измельчаемого материала, Па; σ р – предел прочности измельчаемого материала на сжатие, Па. Путь, на котором действует сила Р, можно принять равным разности между начальным и конечным размерами частиц измельчаемого материала: ∆l = dн – dк. Тогда P = σ2pV/[E(dн-dк)]. Вальцы работают в условиях сложного напряженного состояния, обусловленного действием контактных нагрузок, изгибающих и крутящих моментов. Расчетная схема вальца может быть представлена в виде балки на двух опорах, нагруженной равномерно распределенными нагрузками от силы взаимодействия с обрабатываемым продуктом и силы тяжести, а также сосредоточенными силами и моментами, приложенными в местах крепления зубчатых колес. Валец с запрессованными осями может рассматриваться как одно тело, поскольку было экспериментально доказано, что даже при нагрузках, превышающих несущую способность вальца, плотное соединение осей с гильзой не нарушается. На быстроходный валец действуют следующие силы: Т – окружная составляющая силы взаимодействия вальца с продуктом; R – радиальная составляющая силы взаимодействия вальца с продуктом (под углом β); Gв – сила тяжести вальца; Gк и Gш – силы тяжести соответственно зубчатого колеса и шкива; Q – сила натяжения ремня (под углом ξ); Р0 – окружное усилие в зубчатой межвальцовой передаче; Рr – радиальное усилие в зубчатой передаче (рис. 4). 64 Рис. 4. Схема действующих сил в вальцовом устройстве Силы T и R можно получить из технологического расчета, Gв, Gк и Gш – по проектным данным или результатам взвешивания. Окружное усилие определяется по формуле P0=1000Nц/(πdдn), где dд – диаметр делительной окружности, м; п – частота вращения ведущего колеса, с-1. Радиальное усилие Pr= P0 tg αд , где αд – угол зацепления. Сила от натяжения ремня передачи вычисляется по формуле Q ≈ 3σ0F cos 0,5γ, где σ0 – напряжение от предварительного натяжения ремня (σ0=1,2 МПа – для клиноременных передач; 1,8 МПа – для плоскоременных передач); F – площадь поперечного сечения ремня, м2; γ – угол между ведущей и ведомой ветвями ремня, град. Эпюра крутящих моментов Мкр строится в предположении, что на протяжении рабочей длины вальца крутящий момент изменяется по линейному закону. Напряжения от изгиба максимальны в том месте рабочей части вальца, в котором действует максимальный изгибающий момент Мmах. Эти напряжения определяются по формуле 32 DM max и , ( D 4 d В4 ) где dB – внутренний диаметр пустотелого вальца, м. Опасное сечение запрессованных осей, как правило, совпадает с торцом рабочей части вальца. Действующие напряжения в этом сечении σ = 32Ми/πd03, τ= 32Мкр/πd03. Допускаемые значения запаса прочности оси составляют: по усталости n1 =1,6...2; по текучести nт =2,1...2,5. Вальцы должны также рассчитываться на жесткость. Допустимым 65 прогибом вальца является 0,01 мм, так как при большем значении прогиба эффективное измельчение продукта будет происходить только по краям зазора. Чаще всего вальцы изготовляют из специального чугуна литьем в металлические формы. У таких вальцов поверхностный слой состоит из отбеленного чугуна глубиной 20-25 мм с твердостью НВ 370-450. Применяются также двуслойные вальцы, сердцевина которых отлита из обычного серого чугуна, а наружная часть – из хромоникелевого. Поверхностный слой двуслойных вальцов обладает равномерной твердостью НВ 500 на глубине 15-20 мм. Такие вальцы более износостойки и долговечны, чем отлитые из специального чугуна. В валковых дробилках энергия расходуется на дробление материала, преодоление сил трения, за счет которых скорость продвижения материала к выходу достигает окружной скорости валков, и на преодоление сил трения в подшипниках. При расчете определяют необходимую энергию по каждому виду из указанных затрат и полученные результаты суммируют. Если процесс измельчения осуществляется при окружных скоростях 2-4 м/с, то потребляемая мощность (кВт) может быть определена по формуле 2G N max 1,39 10 6 P lg i , E где i – степень измельчения продукта; η – общий механический КПД дробилки; для гладких валковых дробилок η составляет 0,32-0,38, рифленых – 0,5-0,7. 3. Расчет и конструирование резательных устройств Значительная часть технологических операций по переработке сельскохозяйственной продукции основывается на резании. Процессы резания связаны с уменьшением линейных размеров и увеличением суммарной поверхности кусков обрабатываемого сырья или готового продукта. Резание осуществляется лезвием ножа, которое при этом внедряется в материал, вызывая на поверхности стыка удельные давления, достаточные для его разрушения. Резание бывает свободным и стесненным, рубящим и скользящим (наклонным). При свободном резании вклинивающийся нож свободно отжимает части продукта в стороны; при стесненном – с усилием. При рубящем резании лезвию или продукту сообщают встречное поступательное движение с некоторой скоростью υn, при наклонном – лезвие вклинивается в продукт со скоростью υn и скользит по поверхности раздела со скоростью υt. Усилие Рn вклинивания лезвия в продукт называется нормальным сопротивлением резания, а Рt, необходимое для 66 бокового смещения лезвия, – касательным сопротивлением. Отношение касательной скорости к нормальной (коэффициент скольжения лезвия) чато называют коэффициентом качества процесса резания и обозначают kc = υt/ υn = tg δ0, где δ0 – угол скольжения, являющийся одной из характеристик процесса резания волокнистых продуктов, например мяса. Для повышения качества разреза и снижения затрат энергии на этот продукт и процесс рекомендуется применять наклонное резание. Объясняется это тем, что всякое лезвие имеет на себе микроскопические зубчики. В случае резания без скольжения в работе будут принимать участие как вершины зубьев, так и впадины. В процессе резания со скольжением участвуют в основном только вершины зубьев, которые имеют большую режущую способность. Кроме того, при резании без скольжения нож вначале сжимает материал, тем самым увеличивая сопротивление резанию. При резании мясопродуктов принимают kс = 9,5…114,6, что соответствует δ0 = 840…89050`. При наклонном резании сырья растительного происхождения Pn3s = C, где Pn – нормальное усилие вклинивания лезвия (нормальное сопротивление резанию); s – путь скольжения лезвия; C – постоянная, характеризующая прочноть измельчаемого сырья, механические свойства и геометрию лезвия, скорость резания и т.д. Применительно к резанию мяса рекомендуется пользоваться зависимостью Pnm kc = C, где m – показатель степени, равный 3,2 при резании поперек и 2,8 при резании вдоль волокон. 67 Лекция 7 РАСЧЕТ СЕПАРАТОРОВ Для разделения жидких смесей по их плотности применяются сепараторы и центрифуги. По технологическому признаку сепараторы делятся на три класса: сепараторы-осветлители для разделения суспензии (выделения тяжелой дисперсной фазы), сепараторы-разделители для разделения эмульсий (выделения легкой дисперсной фазы) и комбинированные сепараторы, имеющие двойной пакет тарелок, т. е. снабженные как осветлительными, так и разделительными тарелками. По типу ротора различают сепараторы тарельчатые и камерные. Ротор тарельчатых сепараторов комплектуется пакетом конических вставок (тарелок), которые делят поток обрабатываемой жидкости на параллельные тонкие слои. Ротор камерных сепараторов имеет реберную вставку (при одной камере) или комплект концентрических цилиндрических вставок, разделяющих его объем на кольцевые камеры, по которым обрабатываемая жидкость, протекая последовательно, перемещается. При расчете сепараторов необходимо, прежде всего, определить предельные размеры разделяемых частиц и оптимальное расстояние между тарелками. Частицы эмульсии (суспензии), равномерно распределенные в плазме, поступают в межтарелочное пространство, где участвуют в сложном движении. Первая составляющая движения определяется скоростью потока и направлена по образующей тарелки, вторая – определяется центробежной силой и направлена перпендикулярно оси вращения (горизонтально). Одним из условий сепарирования является проникновение частиц через толщу жидкости в межтарелочном пространстве. При этом следует иметь в виду, что частицы, не достигшие поверхности тарелки, будут вынесены в поток плазмы, а попавшие на тарелку будут перемещаться по ее поверхности. При этом возможны два случая: 1. Скорость потока у поверхности тарелки больше скорости, вызываемой центробежной силой. В этом случае частицы попадают в общий поток. 2. Скорость потока меньше скорости, вызываемой центробежной силой. Частицы попадают в поток, уже обогащенный частицами. Таким образом, разделение фаз будет осуществляться только во Рис. 1. Траектория движения частиц между тарелками втором случае. 68 Траектория движения частицы, попадающей в обогащенный поток, состоит из двух стадий: первая – движение частицы в направлении общего потока; вторая – движение в направлении, противоположном общему потоку (кружочками на рис. 1 обозначено движение частиц легкой дисперсной фазы, а крестиками – тяжелой). При этом частицы легкой дисперсной фазы во второй стадии перемещаются по внешней поверхности тарелки, а тяжелой – по внутренней. Выделены могут быть частицы, которые за время пребывания сепарируемой жидкости в межтарелочном пространстве успевают пересечь поток и достигнуть поверхности соседней тарелки. Это движение характеризуется равенством υt=s, где υ – скорость движения частицы в среде под действием центробежной силы, м/с; t–время пребывания жидкости между тарелками, с; s – расстояние между тарелками в радиальном направлении, м. Определим скорость потока на расстоянии Rx от поверхности тарелки, равном диаметру частицы, уравновешивание которой должно обеспечиваться скоростью Стокса υc во избежание сноса частицы в общий поток: 2 4 h d 2 3 2 vc vcp 1 2 , 2 h откуда, если пренебречь малой величинойd22, 3 4d 3 8r vc vcp 2 vcp 2 , 2 h 2 h где r2 и d2 – соответственно радиус и диаметр частицы, удерживающейся на поверхности тарелок. При ламинарном движении жидкости между тарелками условие равновесия на поверхности кромки тарелки выразится так: 3 8r 2 2 vcp 2 8,764 n 2 Rmax 1 r2 . 2 h Для этого случая соотношение конструктивных и физических свойств жидкости характеризуется следующим уравнением: 2 1 2 2 zRmax h 2n 2 r 0, 218 . 1 Q Первый член левой части уравнения отражает физические свойства жидкости, второй – конструктивные факторы. Из этого соотношения можно рассчитать предельный размер частицы, удерживающейся на поверхности тарелок: Q r2 0,218 2 2 2 , zRб h n 1 2 69 где Rб – радиус барабана сепаратора, м. Оптимальное расстояние между тарелками определяется в двух случаях: расширения потока, когда ρl > ρ2, и сужения потока, когда ρ2 > ρ1 Производительность сопловых сепараторов (м3/с), в частности дрожжевых, у которых расход жидкости через сопла достигает 20 % от подачи, можно определить по формуле, предложенной 3. Б. Кристаллом. В этой формуле количество концентрата, которое необходимо вывести через сопла, увязано с производительностью по фугату и содержанием взвешенных частиц в исходной суспензии и концентрате. В формулу введен также коэффициент, учитывающий влияние содержания дрожжей в исходной суспензии на процесс сепарации: 3 3 2 2 z tg ( Rmax Rmin Q e 0.014( K1 10) 3 2 P P K 2 , 1 2 r 2 9 K 2 K1 где е – основание натурального логарифма; К1 и K2 – содержание взвешенных веществ соответственно в исходной суспензии и концентрате, %. Коэффициент β в сопловых сепараторах обычно не превышает 0,5. Общая фактическая производительность саморазгружающихся сепараторов Q = Q1(1-t n), где Q1 – производительность сепаратора, подсчитанная по формуле определения производительности для сепаратора-разделителя; t – время, на которое прерывается процесс сепарации для разгрузки шлама, ч; обычно t – 1-2 ч; п – количество разгрузок за 1 ч п =3600QК1/100 V. Объем шламового пространства, м3 (дм3), в сепараторах с ручной выгрузкой осадка определяется из расчета непрерывной работы в течение 2-4 ч по формуле V=0,01К1tQ, где t – время непрерывной работы сепаратора, с(ч); Q – производительность, м3/с. Необходимые размеры шламового пространства обеспечиваются при конструировании сепаратора внутренним диаметром стенки корпуса ротора. В сопловых сепараторах шламовое пространство образовано конусными поверхностями крышки и корпуса ротора и цилиндрической поверхностью, ограниченной наружными кромками собранных в пакет тарелок. Осадок соскальзывает по стенкам конусов к периферии, где установлены сопла. В саморазгружающихся сепараторах шламовое пространство образовано так же, как и в сопловых. Его объем не является решающим фактором в работе машины: в зависимости от производительности и 70 содержания взвешенных веществ изменяется лишь время между разгрузками осадка. В некоторых сепараторах открытого типа небольшой производительности жидкость подается в ротор с помощью приемной чаши, из которой продукт через кран поступает в поплавковую камеру. Поплавок регулирует необходимое количество жидкости: если поступление превышает расход, то уровень жидкости в камере поднимается и поплавок прикрывает отверстие крана, уменьшая тем самым приток жидкости. Выходное отверстие крана должно иметь определенный диаметр d1, чтобы обеспечить достаточный приток жидкости в поплавковую камеру как при максимальном, так и при минимальном напоре в приемной чаше (соответственно H1mах и H1min). Внутренний диаметр питающего патрубка d рассчитывают таким образом, чтобы при определенной высоте уровня жидкости в поплавковой камере Н в ротор поступало необходимое (расчетное) количество жидкости (рис. 2). Расчет крана и питающего патрубка поплавковой камеры заключается в определении диаметров отверстий, обеспечивающих прохождение жидкости в количестве, соответствующем пропускной способности сепаратора. Исходной для этих расчетов служит формула истечения жидкости, м3/с: Q f 2gH , где μ– коэффициент истечения жидкости (μ = 0,9); f – площадь сечения отверстия, м2; H– высота уровня жидкости над отверстием, м. Рис. 2. К расчету размеров приемных устройств сепаратора: а – открытого типа; б – полузакрытого типа Исходя из этого равенства диаметр выходного отверстия крана приемной чаши 71 d1 4Q , 2 gH1 min внутренний диаметр питающего патрубка 4Q d1 , 2 gH где H – примерно 2/3 высоты поплавковой камеры, м. В сепараторах полузакрытого типа жидкие фракции выводятся с помощью напорных дисков. При расчете дисков определяется создаваемое ими максимальное давление, Па: 2 p ж ( Rд2 r02 ), 2 где ρж – плотность жидкости, кг/м3; Rд – максимальный радиус диска, м; r0 – радиус свободной поверхности жидкости в момент перелива, м. Обычно величина давления зависит от технологического процесса; r0 выбирается из конструктивных соображений. Учитывая некоторый запас, максимальный радиус диска, м: 2p RД r 2, ж 2 где r – радиус свободной поверхности жидкости в рабочий период, м. В сопловых сепараторах более тяжелая, сгущенная фракция выводится через сопла, расположенные на периферии ротора. Количество жидкости, выброшенной через сопла (производительность по сгущенному продукту), м3/с: d 2 z R 2 r 2 , Q 4 где μ – коэффициент истечения (μ = 0,7); d – диаметр выходного отверстия сопла, м; z – количество сопел; R – расстояние от оси ротора до выходного сечения сопла, м; r0 – радиус свободной поверхности жидкости в рабочий период, м. Расход жидкости через сопла определяют не только конструктивными характеристиками ротора и самих сопел (частота вращения ротора, место расположения на нем сопел, их количество и диаметр отверстий), но и технологическими параметрами работы ротора (производительность по фугату; концентрация дисперсной фазы в исходной суспензии и в концентрате, выходящем через сопла). Исходя из этих предпосылок диаметр отверстий сопел, мм: 72 4Q d , 2 z R 1) K1 где Q – производительность сепаратора по фугату, м3/с. Основной частью сепаратора является барабан (рис. 3). Он включает в себя корпус, состоящий из цилиндрической обечайки и днища. Каждый из этих элементов в первом приближении может быть рассчитан отдельно без учета краевого эффекта у мест сопряжения. Цилиндрическая обечайка в рабочем состоянии будет подвержена действию радиальных инерционных сил, вызванных вращением массы самой обечайки и массы рабочей жидкости, находящейся в барабане. Давление, оказываемое вращающейся жидкостью на обечайку: p = 0,5ρжω2/R2(1-R12/R2) = 0,5ρжυψ2, где ρж – плотность рабочей жидкости, кг/м3; ω – угловая скорость вращения барабана, рад/с; R – радиус внутренней цилиндрической поверхности обечайки, м; R1 – радиус внутренней цилиндрической поверхности жидкости, м; υ – линейная скорость жидкости у внутренней поверхности барабана, м/с; ψ – степень заполнения барабана жидкостью. 2 r02 ( Рис. 3. Схема барабана сепаратора: 1 – корпус; 2– кольцо; 3 – крышка; 4 – резиновое кольцо (прокладка); 5–пакет тарелок; А–А и Б–Б – опасные сечения При расчете сепаратора можно принимать ψ = 1. Давление жидкости в барабане во время работы сепаратора может достигать достаточно больших значений. Например, в барабанах высокопроизводительных молочных сепараторов оно превышает 2 МПа. Окружное нормальное напряжение в обечайке, в случае когда радиальным напряжением можно пренебречь, складывается из напряжений, возникающих от давления жидкости и сил инерции массы обечайки, т. е. 0,5 2 R 0,5R т 2 R 2 0 , 1 где δ – толщина стенки обечайки, м; ρ – плотность материала обечайки, кг/м3; – отношение плотностей жидкости и материала обечайки; σ0 – произведение линейной скорости в квадрате на плотность обечайки (напряжение от сил инерции самой обечайки), Па. 73 Меридиональное напряжение в обечайке: Q 0,125 2 2 R 0,125 0 2 R . 2R На днище барабана от давления жидкости действует усилие Q = 0,25πρυ2ψ2R2. Толщину стенки корпуса барабана определяют из зависимости 0,5 R 0 . 0 Во время работы сепаратора подводимая к нему мощность расходуется на сообщение кинетической энергии ротору сепаратора и выбрасываемой жидкости, а также на преодоление трения ротора о воздух и в приводном механизме. Указанные статьи расхода энергии имеют различное значение в пусковой период работы сепаратора и при установившемся режиме. Кинетическая энергия ротора сепаратора, Дж: А = Jω2/2 = GRи2ω2/2g, где J – момент инерции ротора, кг м2; G – сила тяжести ротора, Н; Rи – радиус инерции ротора, м. Если разгон ротора продолжается, то средняя потребная мощность (кВт) на сообщение ему кинетической энергии в период разгона Nср = А/1000τ, где τ – время разгона ротора, с. Кинетическая энергия ротора находится в прямой зависимости от угловой скорости, которая в период разгона, постепенно увеличиваясь, достигает максимума к концу пускового периода. Поэтому можно считать Nmax = 2/Ncp. Мощность, необходимая для сообщения кинетической энергии выбрасываемой жидкости в сепараторах открытого типа: N1 = φQω2R2ρж/21000g или т Q 2 n 2 R 2 ж , 900 2 g 102 где φ – коэффициент, учитывающий радиальную скорость струи, φ= 1...1,2; Q – производительность сепаратора, м3/с; ω – угловая скорость, рад/с; n –частота вращения ротора, мин-1; R – расстояние от оси вращения до выходных отверстий, м; ρж –плотность жидкости, кг/м3. N1 В сепараторах полузакрытого типа на выходе жидкой фракции создается противодавление, для преодоления которого требуется мощность, кВт: N1 = Qp/1000η, 74 где р – давление на выходе жидкости, создаваемое напорным диском, Па; η – КПД напорного диска, η = 0,3. У сопловых сепараторов на выход осадка через сопла иногда расходуется значительно больше мощности, чем на все остальные статьи расхода энергии вместе взятые, тогда расход мощности определяют по формуле Q 2 R 2 ж . 2 1000 g Мощность, необходимая для преодоления трения ротора о воздух, N1 кВт: N 2 4300 / F1n 10 6 3 FR с i k i 0 3 ср в / g, где β – эмпирический коэффициент, равный в среднем 1,85; F1 – общая поверхность трения ротора, м2; п – частота вращения ротора, мин-1; k – количество выделенных участков на роторе; F– поверхность трения определенного участка ротора, м2; Rcp – средний радиус определенного участка поверхности трения ротора, м; ρв – плотность воздуха при 20 °С, кг/м3. Мощность, необходимая для преодоления трения в приводном механизме, сравнительно невелика. 75 Лекция 8 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 1. Расчет трубчатых теплообменников В теплообменниках жесткого типа возникают температурные напряжения в корпусе и в трубках из-за разности температур их стенок. Это может нарушить плотность в местах развальцовки трубок и привести к проникновению продукта из межтрубного пространства в трубное (и наоборот). Такие теплообменники рекомендуется применять в тех случаях, когда разность между температурами теплоносителей не превышает 50°С и когда по технологическим условиям не требуется чистить наружную поверхность трубок. Теплообменники жесткого типа просты по устройству, несложны в изготовлении и потому дешевле теплообменников нежесткого и полужесткого типов; этим и объясняется их широкое распространение. Расчет основных конструктивных параметров теплообменного аппарата осуществляется после теплового расчета и поэтому конструктору известны следующие показатели конструируемого изделия: площадь поверхности теплообмена, пропускная способность (производительность), скорость движения продукта, размеры труб, все теплофизические константы участвующих в теплообмене элементов, коэффициенты и другие параметры, характеризующие данный тепловой процесс. Длина пучка труб для осуществления теплообменного процесса может быть представлена зависимостью L'=(0,25F/V)(dв2 /dρ)v, где F– площадь поверхности теплообмена, м2; V – пропускная способность пучка труб, м3/с; dв и dρ – соответственно внутренний и расчетный диаметры трубы, м; v – скорость движения продукта в трубах пучка, м/с. Число ходов в аппарате j=L'/L, где L – выбранная длина аппарата, м. За расчетный диаметр принимают внутренний или наружный диаметр трубы в зависимости от того, по какой ее стороне коэффициент теплоотдачи меньше. При примерно равных условиях за расчетный принимают средний диаметр трубы. Трубы в трубной решетке размещают тремя способами: по Рис. 1. Схема расположения труб сторонам правильных шестипо вершинам равносторонних треугольников 76 угольников, по сторонам квадратов и по концентрическим окружностям (рис. 1). Для получения компактного теплообменника с наименьшим размером в поперечном сечении расстояние между осями труб (шаг расположения труб) принимают минимальным. Его значение зависит от способа крепления труб в решетке, самым распространенным из которых является способ развальцовки. Пайка и заливка концов труб мягким припоем применяется для медных труб. В случае вальцованных соединений с наружным диаметром труб более 19 мм минимальный шаг расположения труб получают по условию lmin = (l,25...1,35)dн. Причем ширина простенка (мм) должна быть, в свою очередь, связана условием lп = (l-dн) ≥ 6, где dн– наружный диаметр трубы, мм; l– принятый шаг расположения труб, мм. Большее значение шага выбирают для труб меньшего диаметра. Внутренний диаметр корпуса аппарата при расположении труб по сторонам правильных шестиугольников определяют по выражению Dв = l(nд-1) + dн + 2(l-dн), где nд – число труб, расположенных по диагоналям наибольшего шестиугольника. Зная количество труб, расположенных на стороне наибольшего шестиугольника пс, определяют количество труб, расположенных на его диагонали, а именно Nд = 2пс- 1. п0 = 0,75(nд2 - 1) + 1 = 3nс(nс - 1) + 1. Когда общее количество труб в аппарате превышает число 127, появляется возможность размещения дополнительного числа труб на шести сегментных площадках. Это количество труб составляет 10-18% от числа труб, размещенных в пределах наибольшего шестиугольника. В многоходовых аппаратах необходимо предусмотреть распределение труб по ходам и устройство соответствующих перегородок в камерах. При этом общее количество труб в пределах данного диаметра трубной решетки уменьшится, так как часть плиты окажется занятой перегородками. Чаще всего применяются хордовые (параллельные) и радиальные перегородки. При размещении труб по концентрическим окружностям коэффициент заполнения трубной решетки необходимо уменьшить на 510%, а при размещении по сторонам квадратов – на 15%. При конструировании многоходовых аппаратов необходимо вычертить трубную решетку в масштабе, нанести расположение перегородок в каждой камере, уточнить расположение труб и конструктивно определить окончательные размеры аппарата. На чертеже нужно указать 77 общее количество труб, диаметр труб, длину аппарата и другие размеры. Толщина трубной решетки может быть определена так же, как и толщина плоского днища, но с учетом ослабления ее отверстиями: h K ( Dв2 n0 d в2 ) / и , где K – коэффициент закрепления (K = 0,162); р – перепад давлений по сторонам трубной решетки, Па; [σи] –допускаемое напряжение при изгибе, Па; н – коэффициент ослабления трубной решетки отверстиями. 2. Расчет выпарных аппаратов В перерабатывающих производствах выпарные аппараты применяются для сгущения полуфабрикатов и пищевых продуктов. Выпарные станции предназначены: в свеклосахарной промышленности – для уваривания сахарного сока на сироп; в крахмалопаточной – для выпаривания кукурузного экстракта, паточных и глюкозных соков и сиропов; в молочной – для сгущения молока, сыворотки, сливок; в кондитерской и консервной – для получения концентрированных фруктовых и ягодных соков, повидла, начинки для карамели и других продуктов. В спиртовой промышленности выпарные установки служат для упаривания барды. На некоторых производствах выпаривание осуществляется в две стадии. На первой стадии раствор уваривается до определенного содержания сухих веществ; после этого он подвергается химической и механической обработке, а затем – окончательному увариванию. Первая стадия выпаривания осуществляется в многокорпусной выпарной станции непрерывного действия. Такие аппараты часто называют выпарными аппаратами, или испарителями, в отличие от вакуум-аппаратов, которые предназначены для окончательного уваривания продукта. Вместе с этим не следует делать вывод о том, что выпарные аппараты работают только при атмосферном или избыточном давлении. Корпусы выпарки часто работают при тех же давлениях, что и вакуум-аппараты. Конструкция аппарата должна удовлетворять технологическим требованиям производства, быть простой и удобной в эксплуатации, обладать надежностью в работе, иметь достаточную высоту и объем вакуумного пространства. Большинство конструкций выпарных аппаратов состоят из таких же узлов и деталей, что и в кожухотрубных теплообменниках, поэтому такие детали, как трубные решетки, сферические и плоские днища, крышки, опорные лапы, рассчитывают так же, как для теплообменников. Особенностью вакуум-аппаратов является их работа под избыточным наружным давлением, поэтому цилиндрическая форма корпуса в таких аппаратах является неустойчивой. Следовательно, толщину стенки корпуса нужно рассчитывать не только на прочность при сжатии, но и на устойчивость против деформации цилиндрической формы 78 стенки. Устойчивость может снизиться, если наружное избыточное давление превысит критическое, соответствующее данным размерам обечайки. Толщину стенки корпуса выпарного аппарата (см), работающего под наружным давлением, рассчитывают по формуле m C, 2,2 E где D – диаметр аппарата, см; р – наружное избыточное давление, Па; т – запас устойчивости, принимается 4-5; Е – модуль упругости материала. Иногда требуются выпарные аппараты с коническими днищами (рис. 2). Максимальное напряжение в коническом днище возникает вдоль образующей конуса; если днище работает только под давлением пара или газа, то толщину его стенки можно определить по формуле Dв C, 2 д 1 cos где р – внутреннее избыточное давление в аппарате, Па; Dв– внутренний диаметр аппарата, см; [σд] –допускаемое напряжение на разрыв, Па; φ1– коэффициент прочности сварного шва вдоль образующей конуса; α – половина центрального угла, град.; С –прибавка на коррозию материала, из которого сделан аппарат, м. Если днище работает под гидростатическим давлением столба жидкости, то расчетная формула принимает вид: yDв h1 C, 2 д 1 cos где γ – плотность жидкости, кг/м3. Если днище работает под смешанным давлением, то внутреннее избыточное давление р пара или газа над жидкостью заменяется эквивалентным гидростатическим давлением столба жидкости, высота которого (м) определяется по формуле hэкв = р/γ. Для определения диаметров паровых патрубков скорость насыщенного пара следует принимать в пределах 25-30 м/с, а вторичного пара – 30-35 м/с. D3 79 Рис. 2. Выпарный аппарат с коническим днищем При проектировании выпарных аппаратов нужно учитывать величину свободного объема для вторичного пара, так как она сильно влияет на унос продукта. Величина уноса зависит от интенсивности кипения, высоты уровня продукта в аппарате, свойств увариваемого продукта и объема для вторичного пара. Ее определяют по напряжению парового объема, т. е. по количеству испарившейся воды за 1 ч на 1 м3 свободного объема для вторичного пара в аппарате. Высоту парового пространства обычно принимают не менее 1,5 м, а при выпаривании пенящихся жидкостей – 2,5-3 м. 3. Расчет цилиндрических корпусов вертикальных аппаратов и обечаек В перерабатывающей промышленности, так же как и в химической, широко применяют емкостные и тепловые аппараты с цилиндрическими корпусами. К ним относятся различные резервуары, емкости и сосуды, предназначенные для хранения пищевых жидкостей и проведения технологических процессов при внутреннем избыточном давлении, например для отстаивания, брожения и др. К таким аппаратам можно отнести танки для хранения молока, бродильные чаны, заквасочники, дозаторы и др. Особенностью многих аппаратов этой группы является то, что усилия, действующие на стенки сосуда, обусловлены, главным образом, 80 гидростатическим давлением жидкости и, следовательно, зависят от напора. Если давление в какой-либо точке на внутренней поверхности сосуда превышает 0,07 МПа без учета гидростатического давления, то при проектировании сосудов необходимо выполнять ряд требований, предусмотренных нормами Госгортехнадзора. Цилиндрические аппараты могут иметь вертикальное и горизонтальное исполнения. Предпочтения необходимо отдать вертикальным аппаратам, так как в них исключены дополнительные напряжения при изгибе, возникающие в корпусе при действии силы тяжести аппарата и находящейся в нем среды. При давлении в аппарате менее 10 МПа цилиндрические обечайки выполняют из пластичных материалов, в основном из листов методом вальцовки с последующим соединением стыков преимущественно сваркой. При соединении стыков из медных и латунных листов применяют также и пайку. После соединения стыка цилиндрические обечайки подвергают технологической пайке (калибровке). Лекция 9 81 РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ И УПАКОВКИ ПРОДУКЦИИ Барабанные дозаторы (рис. 1) применяют двух типов: с цилиндрическими или гранеными барабанами и секторные (ячейковые или лопастные). Цилиндрические, гладкие и мелкорифленые барабаны используют для порошковых и мелкозернистых материалов. а б в Рис. 1. Барабанные дозаторы: а – цилиндрический; б– граненый; в – ячейковый; г – лопастной Окружная скорость v барабанов составляет 0,025-1 м/с. Такие дозаторы обычно устанавливают под бункерами. Производительность барабанного дозатора, кг/с: Q = Flznвρφ, где F – площадь поперечного сечения одного кармана (желоба, ячейки и т.д., в дальнейшем можно называть желобом), м2; l – длина рабочей части желоба, м; z – число желобов на барабане; nв – частота вращения барабана, с-1; ρ – плотность материала, кг/м3; φ – коэффициент заполнения желобов, φ = = 0,8-0,9. Для цилиндрического барабана Q = πDhlznвρφ, где D – диаметр барабана, м; h – толщина слоя материала, захватываемого барабаном, м. Частота вращения барабана, с-1: nб nв , 360 где α – угол поворота барабана за один оборот приводного вала, град.; nв – частота вращения приводного вала, с-1. Если α = 360°, то пб = пв; если α < 360°, то пб < пв Мощность, требуемая на привод барабана, Вт: N =Pvk1k2 , где Р – сила для преодоления сопротивления вращению барабана. Тарельчатые (дисковые) дозаторы (микродозаторы) применяются 82 при дозировании сухих сыпучих добавок. Материал из бункера поступает на вращающийся диск, с которого сталкивается скребком. Толщина слоя на диске регулируется манжетой, ограничивающей выход материала на диск. За каждый оборот диска с него снимается порция материала, расположенная на диске в виде кольца треугольного сечения. Производительность дозатора, кг/с: Q = V0ρn, где V0 – объем материала, снимаемого за один оборот тарелки (диска), м3; п – частота вращения тарелки, с-1. Максимальный объем материала, снимаемого за один оборот, м3: V0 = 2π R0F0, где R0 – расстояние между центром тяжести радиального сечения кольца и осью вращения, м; F0 – площадь поперечного сечения кольцевого слоя, м2; R0 = R + h / 3tgφc, где R – радиус манжеты, м; h – высота подъема манжеты над тарелкой, м; φ – угол естественного откоса материала в движении, град. F0 = h2 / 2 tg φc. Предельная частота вращения тарелки определяется из условия, при котором центробежная сила, действующая на частицы материала, меньше силы их трения о диск, т. е. mω2R1 < fmg, где m – масса частиц, кг; ω – угловая скорость вращения диска, с-1; R1 – наибольший радиус вращения частиц, м; f – коэффициент трения частиц о тарелку. Учитывая, что π2 ≈ g, можно записать f f 30 . R1 R h / tg c Для определения мощности, потребной для привода тарельчатого дозатора, необходимо учитывать сопротивление: от трения продукта о поверхность тарелки и скребка; дробления продукта скребком; скручивания столба продукта, опускающегося из воронки дозатора. Для тарельчатого дозатора приближенно мощность привода, Вт: N = N1 / η(l + f2 cos β)k, где N1 – мощность, потребная для преодоления сил сопротивления от трения материала о тарелку, Вт: N1 = Pvм, где vм – скорость материала, сбрасываемого с диска, м/с; Р– сила трения, Н; β – угол установки скребка относительно плоскости сечения кольца материала; f2 – коэффициент трения материала о скребок; η – КПД приводного механизма дозатора; k – коэффициент, учитывающий n 30 83 другие вредные сопротивления (k = 1,5-2). Сила трения, возникающая при движении материала по тарелке: P = F0Lρgf1, где L – путь перемещения материала, м; f1 – коэффициент трения материала о диск. Скорость движения материала: υм = 2πR0n/60. Шнековые дозаторы (рис. 2) применяют для подачи зернистых, мелкокусковых и порошкообразных материалов в тех случаях, когда возможное измельчение отдельных частиц не имеет значения. Производительность регулируют главным образом изменением частоты вращения шнека. Такие дозаторы можно устанавливать горизонтально, наклонно и вертикально. Производительность шнекового дозатора при непрерывном вращении вала, кг/ч: Q = 47D2tknρ, где D – диаметр шнека, м; t– шаг шнека, м, t = (0,8...1)D; k – коэффициент заполнения, k = 0,8...1,0; n – частота вращения вала шнека (для легкосыпучих материалов n = 0,66...1,3 с-1, для трудносыпучих – п = 0,33...0,66 с-1). Рис. 2. Горизонтальный шнекоВо избежание забивания шнека вый дозатор: 1 – приемное устпри работе с кусковым материалом ройство; 2 – корпус; 3 – шнек; рекомендуется выдерживать соот4 – вал ношение D≥(4...5) Dк, где Dк – максимальный размер куска. Потребная мощность двигателя, кВт: Qg N ( L2 H )k1 , 367 103 где η – КПД привода; L2 – горизонтальная проекция пути перемещения, м; Н – высота подъема продукта, м; ω – коэффициент сопротивления перемещению материала (для муки w = l,2; поваренной соли и соды – w = 2,5; порошковой и кусковой извести – w = 4); k1– коэффициент, учитывающий потери на трение в подшипниках (k1 = 1,1...1,2). Основным рабочим органом вибрационных дозаторов является опорный или подвесной лоток 3 (рис. 3), получающий колебания от приводного механизма. В качестве последнего может быть применен эксцентриковый колебатель 1-2 (рис. 3а) или вибродвигатель 4 (рис. 3б). 84 Рис. 3. Вибрационные дозаторы, получающие колебания: а – от эксцентрикового шатунного механизма; б – от вибродвигателя Вибрационные дозаторы могут подавать различные материалы. Число колебаний лотка рекомендуется до 3000 в минуту, а амплитуда колебаний –до 4 мм. При этом наблюдается кратковременный отрыв материала от дна лотка, и в течение некоторого промежутка времени материал находится в состоянии свободного полета. Это уменьшает длительность контакта груза с лотком и снижает износ последнего. Производительность вибрационного дозатора, т/ч: Q = 3600Bhvρφ, где В – ширина лотка, м; h – высота слоя материала в лотке, м; v – средняя скорость перемещения материала, м/с; φ – коэффициент заполнения, для открытых лотков φ = 0,6...0,8. При частоте колебаний больше 28 с-1 средняя скорость перемещения материала по лотку v = kaω cos β, где k – поправочный коэффициент. На практике скорость подачи материала вибрационным дозатором обычно составляет 0,1-0,3 м/с. Мощность приводного двигателя в вибрационных дозаторах расходуется на преодоление сил сопротивления перемещению насыпанного продукта по лотку и на потери, связанные с приведением массы дозатора в колебательное движение, кВт: kn3 a 3Gk k 3QL , 367 4 10 g где k’ – коэффициент, зависящий от точности настройки упругой системы дозатора, k’ = 0,04...0,16; п – число колебаний в минуту; Gk – масса качающихся частей дозатора; kз – коэффициент сопротивления, kз = 0,25...0,35; L – длина лотка, м. Ленточные дозаторы (рис. 4) применяются для подачи и дозирования сыпучих, плохосыпучих, а также влажных слеживающихся матеN 5 85 риалов. Они могут устанавливаться горизонтально или наклонно. Рис. 4. Ленточный дозатор: 1 – заслонка; 2 – лента транспортера Верхняя ветвь ленты лежит на опорных роликах или скользит по неподвижному металлическому настилу. Вдоль ленты устанавливаются борта, создающие желоб. Бункер устроен так, чтобы на ленту непосредственно не передавалось давление материала. Слой материала на ленте по высоте регулируется заслонкой. Рекомендуемая скорость ленты составляет 0,1-0,5 м/с. Производительность ленточного дозатора, кг/ч: Q = 3600Fvρk, где F= bh – площадь поперечного сечения слоя материала, м2; b – ширина ленты, м; h – толщина слоя материала на ленте, м; v – скорость ленты, м/с; k – коэффициент заполнения желоба, k = 0,75...0,8. Потребная мощность на ведущем барабане, кВт: N' = N1+ N2, где N1– затраты мощности на подачу материала, кВт; N2 – затраты мощности на преодоление трения материала о стенки желоба, кВт. Q N1 (0,2 L H )k1 , 367 10 3 где L – длина дозатора между осями барабанов, м; Н – высота подъема продукта (для наклонных дозаторов), м; k1 – коэффициент, учитывающий сопротивление барабанов, перегиб ленты и т. п., k1= 1,2. N2 = PV = 0,01h2lρfkпvg, где Р – тяговое усилие для преодоления сопротивления трению, Н; l – длина бортов, м; f – коэффициент трения материала о борта; kп – коэффициент подвижности материала (из справочных данных). Тяговое усилие P = pпhlf, где pп = hvkп – нормальное давление на борта, Па. Установленная мощность электродвигателя N=N'/ηkт, где η – КПД привода; kт – коэффициент, учитывающий потери на трение, kт=1,1. 86 1. Требования, предъявляемые к оборудованию для фасовки и упаковки продуктов Предприятия перерабатывающей промышленности выпускают свыше 500 видов пищевых продуктов, расфасованных в пакеты или завернутых в различные оберточные материалы. Все пищевые продукты, выпускаемые в упакованном виде, можно разделить на следующие три основные группы: 1) сыпучие продукты – мука, крупа, рис, соль, сахарный песок, кофе в зернах, молотый и суррогатный, чай, какао, хлопья, пищеконцентраты в порошке, макаронные изделия, пряности и др.; 2) пластичные продукты – прессованные дрожжи, масло, маргарин, плавленый сыр, творог, творожные сырки и др.; 3) штучные изделия – кусковой сахар, конфеты, карамель, шоколад в плитках, бисквиты, вафли, чай в плитках, пищеконцентраты в брикетах и др. Сыпучие продукты расфасовывают в пакеты с последующим запечатыванием. Применяют жесткие пакеты в форме прямоугольного параллелепипеда, мягкие пакеты и при небольшом количестве продукта в одном пакете – плоские. Пакеты используют одинарные или двойные. Пластические продукты расфасовывают в пакеты (плавленый сыр, творог, творожные сырки и др.) либо заворачивают их в оберточные материалы после придания правильной формы завертываемой порции продукта (прессованные дрожжи, масло и др.). Штучные изделия завертывают каждое отдельно (индивидуальная завертка) или по несколько изделий в одну общую (групповая завертка). Так, для конфет, шоколада в плитках, брикетов пищеконцентратов применяется индивидуальная завертка, для кускового сахара, бисквитов, вафель – групповая. В соответствии с характером процессов упаковки автоматы для пищевых продуктов можно разделить на два основных класса: 1) расфасовочно-упаковочные; 2) заверточные. В расфасовочно-упаковочных автоматах первым процессом упаковки является изготовление пакета или, если автомат снабжается готовыми пакетами, подготовка пакета к наполнению продуктом. Вторым процессом является наполнение пакета продуктом, третьим – запечатывание пакета. В заверточных автоматах упаковка состоит из двух процессов: подготовка продукта к завертыванию (формование пластического продукта или группирование штучных изделий); завертывание продукта в различные оберточные материалы. Упаковка сыпучих продуктов производится на расфасовочноупаковочных автоматах; для упаковки пластических продуктов и штуч87 ных изделий применяются как расфасовочно-упаковочные, так и заверточные автоматы. Современные автоматы, предназначенные для розлива различных пищевых жидкостей в бутылки и придания бутылкам товарного вида, выполняют заданные технологические операции без вмешательства человека. Устройство и конструкции разливочных автоматов должны отвечать техническим и технологическим требованиям производства, определяемым главным образом физико-химическими свойствами готовых к употреблению пищевых жидкостей. При любом способе розлива пищевые жидкости не должны подвергаться аэрации, так как под действием кислорода воздуха в продукте нарушаются окислительно-восстановительные процессы, изменяющие вкусовые качества разливаемой жидкости. Аэрация вызывает также пенообразование, что затрудняет нормальное наполнение бутылок и нарушает необходимую точность дозирования. Требования, предъявляемые к качеству пищевых жидкостей, определяют не только тип тары, в которую фасуют эти жидкости, но и условия, принципы и методы фасования, а также обусловливают наличие различных типов и марок фасовочных машин, применяемых в современной промышленности. Существующие фасовочные машины, несмотря на различные назначения и разнообразие конструкций, имеют много общего в принципиальных схемах и методах расчета. Проблемы, связанные с применением тары, имеют много аспектов, основные из которых следующие: санитарно-гигиенические требования, прочностные характеристики, экономические показатели и экологические вопросы. В настоящее время для производства тары под пищевые жидкости применяют множество различных материалов: стекло, разнообразные полимерные материалы, фольгу, бумагу с пропиткой, а также используют двуслойную тару, в которой сочетаются вышеперечисленные материалы. Основным и наиболее распространенным видом тары для пищевых жидкостей является стеклянная. Она химически устойчива, обеспечивает длительное, обусловленное видом и качеством самого продукта хранение без ухудшения качества. Стекло не выделяет вредных для здоровья веществ, гигиенично, хорошо защищает содержимое от фотохимического воздействия и различных загрязнений. Прозрачность стекла позволяет покупателю видеть продукт. С точки зрения герметичности укупоривания стеклянная тара не уступает металлической или пластмассовой, она газонепроницаема и способна выдержать значительное внутреннее давление, что особенно важно для хранения напитков, содержащих диоксид углерода. Недостатком стеклотары являются малая 88 механическая прочность и относительно большая масса на единицу затрачиваемой продукции. Отличаются разливочные автоматы друг от друга методами розлива и принципами дозирования жидкости, что изменяет их расчетные гидравлические схемы и конструкции приборов для наполнения бутылок. Разливочные автоматы подразделяются на гравитационные, изобарические, вакуумные и сифонные. Первые три бывают дозирующие по объему (крановые, клапанные и золотниковые) и по уровню (клапанные и золотниковые). Сифонные включают только автоматы, дозирующие по уровню (клапанные и золотниковые). Дозирование жидкостей осуществляется по объему или по уровню. 2. Элементы расчета оборудования для фасовки и упаковки продуктов Современные разливочные автоматы для пищевых жидкостей последовательно осуществляют ряд заданных технологических операций, для выполнения которых необходимо, чтобы рабочие и холостые ходы чередовались, а рабочие органы периодически приходили в свои исходные положения. Различают три цикла движения в технологических машинах: кинематический, рабочий и технологический. Кинематическим циклом механизма называется период между двумя последовательными моментами начала рабочих ходов: Tк=tp+tx+tост, где tp – время рабочего хода; tx – время холостого хода; tост – время остановки. Рабочим циклом Тр называется период времени, по истечении которого машина выпускает вырабатываемое изделие. Часто рабочий цикл равен или кратен кинематическому. Технологическим циклом ТТ называется время, в течение которого обрабатываемое изделие находится в машине, т. е. промежуток между моментами его загрузки и выгрузки из машины. Одним из основных параметров при розливе является действующий напор, м: H = h + (p1 - p2)/ρ, где h – высота столба жидкости, м; р1 – давление газа над жидкостью в расходном резервуаре или в дозаторе, МПа; р2 – давление газа в бутылке, МПа; ρ – плотность жидкости, кг/м3. Как правило, разливочные машины настраивают на один тип бутылок. С конструктивной точки зрения различных типов фасовочных машин сравнительно немного. Современные разливочные автоматы являются в основном устройствами карусельного типа, в которых на неподвижной станине с расположенными на ней механизмами установлен вращающийся расходный 89 резервуар для приема жидкости с разливочными приборами и поплавковой системой, поддерживающей при фасовке постоянный уровень продукта. Теоретическая производительность (бут/с) разливочного автомата: Пт = zn = zω/2π, где z – количество наполнительных приборов (разливочных устройств); n –частота вращения карусели, с-1; ω –угловая скорость карусели, рад/с. Длительность одного оборота (с) карусели: Т= 1/п = z/ Пт. Расчетная производительность (бут/с) автомата: Пр = zн/τн где zн – количество приборов (подъемных столиков), одновременно работающих на наполнение бутылок; τн – время наполнения бутылки жидкостью, с. zн = ψz, где ψ = zн /z – коэффициент использования рабочих позиций разливочных устройств (ψ = 0,3...0,6). Время наполнения (с) бутылки жидкостью: 2Q Н , f отв 2 gH где Q – объем жидкости в стакане дозатора, м3 (Q=510-4 м3); μ – коэффициент расхода, характеризующий сопротивление сливного тракта и физические свойства разливаемой жидкости (μ = 0,4...0,7); fотв – площадь выходного отверстия наполнителя, м2; Н – высота столба жидкости в дозировочном стакане, м. Время τн является важнейшим параметром разливочных машин и зависит от метода розлива и принципа дозирования жидкости. Производительность разливочной машины является функцией времени наполнения бутылки жидкостью, равного времени опорожнения мерного стакана дозатора. Фактическая производительность (бут/с) автомата: Пф = z(1,62λ τн), где λ – коэффициент запаса, учитывающий неточное определение и изменение τн при фасовке пищевых жидкостей (λ – 1,4). В упаковочных автоматах размотка рулона – достаточно распространенная технологическая операция при производстве упаковочных материалов. Основным выходным параметром этой операции является натяжение полотна, возмущающими – скорость протяжки и диаметр рулона, управляющим – момент на валу раската. Для моделирования процесса размотки воспользуемся основным уравнением статики, определяющим равновесие тела с неподвижной осью вращения: Mт + Jε-Fr=0, где Mт – тормозной момент барабана, Нм; J – момент инерции рулона, кг 90 м2; ε – угловое ускорение, с-2; F– натяжение полотна, Н; r – текущий радиус, м. J=0,5mr2 = 0,5πρbr4, где т – масса рулона, кг; ρ – плотность полотна, кг/м2; b – ширина полотна, м. Угловое ускорение рулона может быть обусловлено изменением его радиуса в процессе размотки, а также скорости протяжки полотна vп: ε = ε r+ ε Vп, где ε – угловое ускорение рулона; ε r и ε Vп – угловое ускорение рулона, вызванное изменением соответственно радиуса рулона и скорости протяжки полотна. Угловое ускорение, вызванное изменением радиуса рулона при vп = = const, можно определить по уравнению ε r=δv2п/(2πr3), где δ – толщина полотна, м. Угловое ускорение, обусловленное изменением скорости протяжки полотна: 1 d Vп Vп . r dt Тормозной момент рулона определяют из соотношения Mт = 0,5Fтd, где Fт – сила трения, Н; Fт=fтFц; d – диаметр тормозного цилиндра, м; fт – коэффициент трения; Fц – сила давления, Н; Fц = pS; S– площадь поперечного сечения тормозного цилиндра, м2; р – давление в тормозном цилиндре, пропорциональное частоте вращения регулировочного винта, отсчитываемой от начала размотки рулона, Н/м2; р = сп; с – коэффициент пропорциональности, Н/м2; п – частота вращения регулировочного винта. Тогда Мт = 0,5dfТcnS. При расчете разливочных автоматов необходимым элементом проектирования является определение следующих условий: неопрокидывание и несоскальзывание бутылок, находящихся на подъемном столике вращающейся карусели. При этом рассматриваются два варианта: для порожней и наполненной бутылок. Условие неопрокидывания бутылок: Fцбh ≤ Gбdб/2; условие несоскальзывания бутылок с подъемного стола: Fцб < Сб/fтр, где Fцб – центробежная сила, действующая на бутылку, Н; h – высота центра тяжести бутылки, м (h = 0,095 м); Fцб = mω2R, где ω – угловая скорость вращения карусели, рад/с; R – радиус окружности по центрам подъемных столиков, м (R = 0,28 м); m – масса бу91 тылки, наполненной жидкостью, кг: т = тб+тж, где тб – масса пустой бутылки, кг (тб = 0,45кг); тж – масса жидкости, наполняющей бутылку, кг (тж = 0,5 ±0,035 кг); Gб – сила тяжести бутылки, Н (Gб = mg); fТР – коэффициент трения скольжения стеклянной бутылки о материал столика (fТР = 0,1). Энергия, расходуемая разливочным автоматом, затрачивается на перекатывание роликов подъемных столиков по копиру и вращение карусели. Сопротивление от перекатывания роликов по горизонтальному участку копира, Н: P1= z1(G1 + G2)(2k +fd)/D, где z1 – число подъемных столиков, одновременно перемещающихся по горизонтальному участку копира; G1 – усилие сжатой пружины, Н; G2 – сила тяжести штока, столика с подшипником, роликом и порожней бутылкой, Н; k – коэффициент трения качения ролика, м; k =0,005 м; f – условный коэффициент трения скольжения подшипника (f=0,15); d – диаметр окружности по центрам шариков подшипника, м; D – диаметр шарикоподшипника, м. Сопротивление на участке подъема штока с учетом угла подъема копира 2k fd 1 P2 (G1 G3 ) sin cos , D cos где G3 – сила тяжести штока, столика с подшипником, роликом и наполненной бутылки, Н; α – угол подъема профиля копира, град., α = 45°. Сопротивлением движению ролика на участке копира с опусканием штока можно пренебречь. Суммарное сопротивление движению всех роликов, одновременно находящихся в контакте с копиром, Н: Р=Р1+Р2. Мощность (кВт), расходуемая на перекатывание роликов по копиру: N1 = 10-3Pv, где v –линейная скорость перемещения столиков, м/с (v =ωR). Мощность (кВт), расходуемая на вращение карусели, без учета сопротивления роликов: N2 = 10-3G4fвπd1ω, где G4 –сила тяжести главного вала с прикрепленными к нему деталями, Н; fв – условный коэффициент трения скольжения подшипника (fв = 0,1); d1 – диаметр окружности по центрам шариков упорного подшипника главного вала, м (d1= d); ω– угловая скорость вращения главного вала, рад/с. Суммарная мощность (кВт) на главном валу разливочного автомата: N= (N1 + N2)/ηк, где ηк – КПД подшипников качения (ηк =0,98). 92 Мощность электродвигателя (кВт) привода разливочного автомата: Nдв = KN/ηпр, где К– коэффициент пуска (К = 1,15); ηпр – КПД привода (ηпр = 0,8). Сокращение времени транспортирования в линиях розлива достигается увеличением числа тяговых элементов транспортеров или увеличением скорости их движения. Одним из факторов, ограничивающих скорость тяговых элементов, является обеспечение устойчивости транспортируемых бутылок. В отдельных случаях они могут располагаться без контакта с другими бутылками и боковыми ограждениями. Поэтому условие обеспечения устойчивого положения отдельно рассматриваемой бутылки на подвижной несущей плоскости накладывает определенные ограничения на кинематические параметры движения грузонесущих элементов транспортеров и накопителей. Рассматривая бутылки в различные периоды движения, различают четыре вида устойчивости. 1. Начальная (или статическая) устойчивость, соответствующая положению минимума потенциальной энергии посуды при ее неподвижном положении по отношению к заданным координатам. 2. Кинематическая устойчивость, проявляющаяся при положениях бутылок в пределах угла устойчивости от минимума потенциальной энергии до начала неустойчивого равновесия. Положение тела при этом изменяется с постоянной угловой скоростью и силы инерции не участвуют в процессе. Кинематическая устойчивость учитывается при определении условий принудительной ориентации бутылок. 3. Динамическая устойчивость разгона, имеющая место при действующих на груз активных силах, превышающих силы сопротивления и вызывающих ускоренное движение бутылок по отношению к заданным координатным осям. 4. Динамическая устойчивость торможения, возникающая в том случае, когда активные силы меньше сил сопротивления и бутылка движется замедленно по отношению к заданным координатным осям. Динамическая устойчивость разгона и торможения учитывается при определении условий активной ориентации и режимах неустановившегося движения. Определим критические условия, при которых бутылки теряют статическую и динамическую устойчивость. При составлении математических моделей для их упрощения и возможности применения методов классической механики введем следующие допущения и предположения, не изменяющие физической сущности и характера исследуемых процессов: – бутылка является абсолютно твердым телом, имеющим форму цилиндра; – весь объем бутылки рассматривается однородным; – коэффициенты трения скольжения и покоя являются величинами 93 постоянными; – распределенная нагрузка от бутылки на опорную плоскость заменяется сосредоточенной силой. При разгоне и выбеге несущей плоскости транспортера на бутылки действуют силы тяжести и инерции. Условие статической устойчивости бутылки представляется в следующем виде (рис. 5): Рис. 5. Расчетная схема для определения статической устойчивости бутылки Β ≥ γ, где γ – угол между линиями действия силы тяжести и равнодействующей R; β – угол между линиями равнодействующей силы и линией, соединяющей центр масс и точку А. Величины углов γ и β определяются соотношениями γ = arctg (Pи/G), где Pи – сила инерции центра масс бутылки, Н; β = arctg (d0/2h), где d0– диаметр опорной поверхности бутылки, м; h – расстояние от донышка до центра массы бутылок, м. Сила инерции центра массы бутылки Pи=mб aб , где m – масса бутылки, кг; аб – ускорение центра масс бутылки, м/с2. Подставив выражения, получим аб<gd0/(2h). Последняя формула позволяет установить критическое значение ускорения бутылки, при котором произойдет потеря статической устойчивости. Лекция 10 РАСЧЕТ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН 94 1. Кулачковые механизмы Кулачковые механизмы получили широкое распространение в машинах благодаря возможности осуществления практически любых законов периодического движения ведомых звеньев, в частности, движения с различными выстоями. Под кулачковым механизмом понимают совокупность трех элементов: стойки – базы механизма, ведущего звена – кулачка и ведомого звена – толкателя или коромысла. Кулачок и толкатель, соприкасаясь, образуют высшую кинематическую пару. Кулачку с профилированной поверхностью скольжения, как ведущему звену, чаще всего сообщается вращательное движение, при котором сопряженное с ним ведомое звено получает движение в соответствии с заданным законом изменения скорости (ускорения). С целью замены трения скольжения между кулачком и толкателем на трение качения толкатель снабжают роликом. При этом коэффициент полезного действия механизма повышается, а при соответствующем подборе материала и размеров кулачка и ролика их износ снижается. При соприкосновении роликового толкателя с профилем кулачка центр ролика всегда находится на направлении нормали к профилю в точке их касания и на расстоянии радиуса ролика от профиля кулачка. Геометрическое место точек центра ролика при обратимом движении называется теоретическим профилем или центровым профилем кулачка. При замене теоретического профиля действительным кинематическая сущность механизма не изменяется, т. е. закон движения толкателя остается заданным. Надлежащий контакт высшей кинематической пары обеспечивается силовым (например, с помощью пружины) или геометрическим (конструктивными приемами) замыканием. Кулачковые механизмы делятся на плоские и пространственные, причем наибольшее распространение получили те, ведомые звенья которых совершают возвратно-поступательное или качательное движение. В плоских кулачковых механизмах кулачок выполняется в виде диска с одинарной наружной торцовой рабочей поверхностью сложного профиля (рис. 1 а, б) или с двойной – в виде паза, выфрезерованного на одной из боковых сторон диска (см. рис. 1в), а также в виде двух кулачков (см. рис. 1г). В первом случае (см. рис. 1 а, б) применено обычное силовое замыкание пары ролик – кулачок (пружины сжатия и растяжения). При применении пазового кулачка замыкание обеспечивается кинематически. 95 Рис. 1. Плоские кулачковые механизмы В пространственных кулачковых механизмах кулачок выполняется в виде цилиндра с одинарной наружной торцовой (сбоку) рабочей поверхностью сложного профиля – переменной длины. Рабочий орган исполнительного механизма может быть связан с ведомым звеном непосредственно или через систему промежуточных звеньев. В последнем случае кулачковый механизм является составной частью более сложного исполнительного механизма; закон движения рабочего органа будет определяться не только профилем кулачка, но и системой промежуточных звеньев. При конструировании центральных кулачковых механизмов с возвратно-поступательным движением толкателя к числу заданных параметров относятся: sm – полное перемещение толкателя в одном направлении; φу, φд, φв, φб – углы поворота кулачка соответственно при удалении толкателя от центра вращения кулачка. При конструировании кулачковых механизмов необходимо стремиться к получению механизма с наименьшими габаритными размерами при обеспечении прочности кулачка и ролика и точности передачи закона движения. Значительную роль в обеспечении незаклинивания и прочности элементов кулачкового механизма играет угол давления (угол между направлением движения толкателя и нормалью к профилю кулачка в точке касания его толкателем). Для центрального кулачкового механизма с возвратно-поступательным движением толкателя угол давления выражается за96 висимостью k , r0 m ( ks ) sm где φт – угол поворота кулачка, равный φу или φв. Нормальное усилие, действующее на ролик (цапфу), с достаточной для практики точностью рекомендуется определять по формуле k p max k max msm12 Pn . cosa m m2 Из условия прочности оси ролика на изгиб нормальное усилие составляет arctg 0,2d 03 и , b где d0 – диаметр хвостовика оси ролика; [σи] – допускаемое напряжение при изгибе для материала оси ролика; b – ширина ролика. Из условия невыдавливания смазки, обеспечивающего износостойкость цапфы, нормальное усилие равно Pn<dцb[σyд], где dц – диаметр цапфы; [σyд] – допускаемое удельное давление на цапфу. Выбор допускаемых напряжений и удельных давлений производится в зависимости от конкретных рабочих условий в соответствии с общетехническими нормами расчета деталей машин. Принимая dц = d0 и решая последние две зависимости совместно, получаем Pn b / d 0 0,2 и / уд . Определив таким путем отношение b/d0,находят d0 и b. Диаметр цапфы dц принимают на 2-4 мм больше d0. Обычно b= (1,0... 1,5) dц, диаметр ролика D = (l,6...2,0) dц. С целью ограничения напряжения смятия, возникающего при уравновешивании момента от консольного приложения нагрузки, длину lх хвостовика оси рекомендуется принимать более 0,86. Под действием нормальной силы в материале ролика и кулачка возникают местные (контактные) напряжения смятия. Применительно к дисковому торцовому кулачку и цилиндрическому ролику напряжения смятия Pn Eпр см , b пр где Епр = 2Е1Е2/(Е1 + Е2) – приведенный модуль упругости (Е1 и Е2 – модули упругости материалов кулачка и ролика); 1/ρпр = 1/rр + 1/ρmin – обратное значение приведенного радиуса кривизны (rр – радиус ролика; ρmin – минимальный радиус кривизны действительного профиля кулачка см 0,418 97 – выпуклой части – в месте касания с роликом); [σсм] – допускаемое напряжение при смятии. Из формулы видно, что контактные напряжения зависят от соотношения определяемых конструктивных параметров. Чем меньше минимальный радиус кривизны профиля кулачка, тем больше напряжение смятия. Если ρmin→0, то σсм → ∞. В результате наступает быстрый износ кулачка. 2. Мальтийские механизмы Мальтийские механизмы предназначаются для преобразования вращательного движения ведущего звена во вращательное движение с остановками ведомого звена. Мальтийские механизмы могут быть плоскими и пространственными. С помощью плоских мальтийских механизмов движение можно передавать только при параллельно расположенных валах, а с помощью пространственных (например, со сферическим крестом) – при расположении валов под углом. Ведущим звеном в этих механизмах является водило с роликом (кривошип, поводок), а ведомым – мальтийский крест (шайба с радиальными пазами; сфера с меридиональными пазами). Плоские мальтийские механизмы делятся на механизмы с внешним и внутренним зацеплением; одноповодковые и многоповодковые; с поворотом креста на один угловой шаг и с поворотом креста на два и более угловых шагов и др. Мальтийские механизмы с внешним зацеплением могут иметь несколько водил, а с внутренним зацеплением – только одно. В одноповодковых механизмах за один оборот ведущего вала совершается поворот ведомого вала на один угловой шаг креста, а в многоповодковых – за один оборот ведущего вала ведомый вал поворачивается на два и более угловых шагов креста. В мальтийских механизмах угол между осью паза креста и осевой линией водила при входе ролика в паз (так называемый угол входа) обычно принимается равным 90°. Механизм в этом случае называется правильным. Мальтийский механизм внешнего зацепления с одним водилом (рис. 2) состоит из водила 1, ролика 2, креста 3 с пазами и замыкающими дуговыми плоскостями 6 (замыкателями), стойки 4 и дугового фиксатора 5. При вращении водила против часовой стрелки ролик, укрепленный на нем, входит в паз креста (положение A0) и поворачивает последний в противоположном направлении. При этом контакт плоскостей фиксатора и замыкателя нарушается (плоскости расходятся). Поворот водила на угол φр, который является рабочим, вызывает соответствующий поворот креста на угол ψд (угол движения, угол расположения пазов). После выхода ролика из паза (положение А1) водило совершает холостой поворот на угол φх. 98 Рис. 2. Кинематическая схема мальтийского механизма внешнего зацепления с одним водилом и геометрической фиксацией креста Плоскости фиксатора и замыкателя сходятся, а затем плоскость фиксатора скользит по плоскости замыкателя, обеспечивая неподвижность креста, его фиксацию в исходном положении. Такой способ фиксации называется геометрическим. Из рис. 2 видно, что геометрический параметр механизма = r1/l4=sinψд/2=sinπ/z=r1/r3cosπ/z= cos φp/2=cos(π-φх/2), где r1 = О1A0 – радиус водила (расстояние между осью вращения водила и осью вращения ролика, закрепленного на нем); l4 = O1O3 – база механизма; z – число пазов креста. Углы рабочего и холостого поворота водила определяются из выражений z2 z2 p Д , x Д . z z При постоянной угловой скорости ω = const водила коэффициент интервалов z2 k P . X z 2 Число пазов креста может быть только целым числом, а коэффициент k должен быть меньше 1, поэтому минимальное число пазов креста может быть равным только трем, а минимальное значение коэффициента интервалов – 0,2. При увеличении числа пазов креста коэффициент k растет (скачкообразно). Максимальным, теоретически возможным значением для коэффициента интервалов будет единица, т. е. k→1 при z →∞. При конструировании машин с периодическими движениями и остановками транспортирующего звена часто приходится считаться с максимально допускаемыми для этого звена скоростью и ускорением. При использовании в качестве привода таких звеньев машин мальтийских механизмов максимальные угловые скорость и ускорение креста, обычно жестко связанного с рабочим звеном машины, могут быть определены по уравнениям, выведенным ранее для определения максимальных угловых скоростей и ускорения кулисы кривошипно99 кулисного механизма в период ее холостого хода. 3. Планетарные механизмы Планетарные зубчатые механизмы применяются в технологическом оборудовании для воспроизведения сложного движения рабочего органа, например лопастей, мешалок, ножей. В планетарных механизмах, наряду с зубчатыми колесами с подвижными осями, имеются зубчатые колеса, жестко соединенные со стойкой. Такие планетарные механизмы бывают эпициклическими с наружным зацеплением колес и гипоциклическими с внутренним зацеплением. Эпициклический механизм (рис. 3а) состоит из водила 7, планетарного зубчатого колеса 2 (сателлита) и неподвижного центрального (солнечного) зубчатого колеса 3. Ведущим звеном является водило ОА, а ведомым – колесо 2. При вращении водила 1 колесо 2 катится без скольжения по колесу 3. Все точки колеса 2 и связанного с ним рабочего органа (мешалки) описывают кривые под названием эпициклоиды. Для скорости точки А конца водила, с одной стороны, будем иметь υa = 0Aω1 υa = (r2 + r3) ω1, где ω1 – угловая скорость водила; r2 и r3 – радиусы начальных окружностей соответствующих колес. С другой стороны, учитывая, что начальная окружность колеса 2 без скольжения катится по неподвижной начальной окружности колеса 3 и что в точке В касания этих окружностей (в полюсе зацепления) будут находиться относительный и мгновенный центры вращения колеса 2, по правилу расчета скоростей в плоском движении, считая точку А центром колеса 2, получим υа=АOωi; υa=r2 ω2 . Решая последние две зависимости Рис. 3. Разновидности плане- совместно, найдем тарного механизма ω2=(1+r3/r2). При r3 = r2 скорость ω2 = 2ω1 т. е. колесо 2 будет делать два оборота за один оборот водила. На основании сложения в плоском движении этот результат получается следующим образом: при полном обороте водила ОА колесо 2 поворачивается относительно водила на один оборот, но так как само водило также поворачивается на один оборот, то в пространстве колесо 2 повернется на два оборота. Угловая скорость колеса 2 направлена в сторону угловой скорости 100 водила, поскольку скорость υа также стремится вращать колесо 2 по часовой стрелке. Отношение радиусов r3/r2 (или чисел зубьев колес z3/z2) можно рассматривать как передаточное отношение между колесами 2 и 3 при остановленном водиле, поэтому u2-3 = r3/r2. Но поскольку колеса 3 и 2 при остановленном водиле вращаются в разные стороны, их передаточное отношение необходимо считать отрицательным, поэтому u2-3 = -r3/r2. Уравнение угловых скоростей с вводом передаточных отношений будет иметь вид u1-2 = ω1/ ω2=1/1- u2-3. Эта формула допускает обобщение на случай эпициклической передачи не с двумя, а с n колесами. Если в эпициклическом механизме будет n зубчатых колес и передача движения будет вестись с водила к колесу п, установленному на водиле, то по аналогии с предыдущим получим: u1-2 = ω1/ ωn=1/1- un-3. 4. Храповые механизмы Храповые механизмы предназначены для преобразования качательного движения ведущего звена (например, коромысла или кулисы кривошипных механизмов) в поворотное одностороннее движение с остановками ведомого звена (например, храпового колеса). Передача движения от ведущего звена к ведомому осуществляется посредством промежуточных звеньев (собачки, роликов, кулачков и др.). Храповые механизмы подразделяются на зубчатые и фрикционные. Зубчатый храповый механизм (рис. 4) включает коромысло, которое свободно посажено на вал храпового колеса, находящегося в подшипниках 4. Рабочее звено крепится на храповом колесе или на его валу. Собачка прижимается к храповому колесу пружиной. При ходе коромысла вправо собачка выходит из впадины между зубьями (обратный 101 Рис. 4. Схема к расчету храпового зубчатого механизма: 1 – коромысло; 2 – собачка; 3 – храповое колесо; 4 – подшипник; 5 – запирающая дуга ход). При ходе коромысла влево (прямой ход) требуется некоторое время, прежде чем собачка соприкоснется с рабочей плоскостью зуба, после чего произойдет поворот храпового колеса. Для того чтобы храповое колесо повернулось на один угловой шаг α зубьев, необходимо, чтобы угол ψm размаха коромысла был больше этого угла на величину ∆ψ, т. е. равнялся бы углу (α +∆ψ), но в то же время не был бы больше угла (2α + ∆ψ). Такое условие связано с поворотом собачки во время ее отвода коромыслом и переходом конца собачки с дуги впадин на дугу вершин зубьев колеса. Для осуществления поворота храпового колеса на рабочее число зубьев zp угол размаха коромысла должен лежать в пределах zp α+ ∆ψ <ψm <(zp +1)α + ∆ψ. Угол рабочего поворота коромысла (равен углу поворота храпового колеса): ψр =zpa. = 2πzp/z, где z – число зубьев храпового колеса. Холостой ход коромысла складывается из обратного хода и части прямого хода и имеет два граничных значения: ψx min =ψр+2∆ψ; ψx max =ψр+2(α + ∆ψ). Отношение угла рабочего поворота коромысла к холостому, таким образом, будет лежать в пределах 102 1 1 k . 1 2 /( z P ) 1 2( ) /( z P ) Так, если угол рабочего поворота храпового колеса равен α (zp = 1), a ∆ψ очень мало, то kmax = 1; kmin = 1/3. Минимальное значение дополнительного угла поворота коромысла ∆ψmin ≈ m/R (здесь т – модуль колеса; R – радиус коромысла). Фрикционные храповые механизмы применяются при больших скоростях и при необходимости обеспечить возможность сцепления связываемых элементов при их любом угловом относительном положении. Выполнение движения в одном направлении обусловливается силами трения на фрикционах (обоймах), возникающими при заклинивании промежуточных звеньев. Наиболее простым и дешевым в изготовлении является роликовый механизм (рис. 5). Он состоит из внутренней обоймы 1 с вырезами (храповика-звездочки), роликов 2 и наружной обоймы 3 с внутренней цилиндрической поверхностью. Контактные поверхности звездочки выполнены в виде плоскости. Для обеспечения постоянного соприкосновения роликов с рабочими поверхностями обойм и, следовательно, для постоянной готовности механизма к заклиниванию служит прижимное устройство, состоящее из пружины 6 и прижима 5. Шпонка 4 служит для соединения ступицы коромысла 7 с наружной Рис. 5. Храповый роликовый обоймой механизма. механизм Механизм включается при вращении звездочки относительно внешней обоймы по часовой стрелке или, наоборот, обоймы относительно звездочки против часовой стрелки. При этом ролики закатываются в узкую часть пространства между звездочкой и обоймой и заклиниваются между ними, соединяя в одно целое основные элементы механизма. Относительное движение обойм в противоположном направлении заставляет ролики выкатываться в более широкую часть пространства между ними; механизм выключается, при этом становится возможным свободное движение обойм. Ведущим звеном у механизма одностороннего действия может быть как звездочка, так и обойма. Диаметр d ролика и диаметр D отверстия наружной обоймы определяются в результате расчета на прочность, а угол заклинивания а принимается на основании опытных данных. Расстояние от рабочей поверхности внутренней обоймы до центра ее вращения (рис. 6) 103 l = 0,5d[(c-l) cos α-l], где с = D/d. Часто принимают с = 8, а α = 7°, тогда l = 2,97d. Величина l является весьма удобной для замера, который легко осуществляется при помощи индикатора и концевых мер в процессе шлифования рабочих плоскостей на плоскошлифовальном станке. Угол заклинивания на- Рис. 6. Схема храпового роликового механизма ходится из треугольника ОО1 Е 2 d α= arccos . D-d Эта зависимость указывает на то, что с увеличением диаметра ролика и величины l угол заклинивания уменьшается, а с увеличением диаметра отверстия обоймы – увеличивается. Небольшие изменения в размерах l и d приводят к значительному изменению угла заклинивания. Расстояние между осями ролика и звездочки, измеренное в направлении контактной плоскости звездочки, равно a = 0,5(D-d) sin α; расстояние от центра звездочки до оси прижимной пружины а1 =0,5(D-d) sin β. Момент заклинивания сопровождается приложением нагрузки к элементам механизма. На ролик будут действовать: N1 и N3 – нормальные силы со стороны обойм; F1, и F3 – силы трения на поверхностях соприкосновения ролика с обоймой и звездочкой. Усилием пружины, силами инерции и силой тяжести ролика пренебрегаем. 104 Библиографический список 1. Дипломное проектирование предприятий мясной промышленности: учеб. пособие / Н.В. Цугленок, В.В. Матюшев; Краснояр. ГАУ. – Красноярск, 2004. – 407с. 2. Курочкин А.А. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств / А.А. Курочкин, В.Н. Зимняков. – М.: КолосС, 2006. – 320 с. 3. Курсовое и дипломное проектирование технологического процесса пищевых производств / О.Г. Лунин, В.Н. Вельтищев. – М.: Агропромиздат, 1990. – 269 с. 4. Машины и аппараты пищевых производств: учеб. для вузов: в 2 кн. / С.Т. Антипов, А.Н. Остриков и др.; под ред. В.А. Панфилова. – М.: Высш. шк., 2001. – 1384 с. 5. Остриков А.Н. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств: учеб. для вузов / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов. – СПб: ГИОРД, 2003. – 420 с. 6. Соколов А.Я. Основы расчета и конструирования машин и автоматов пищевых производств. – М.: Машиностроение, 1969. – 785 с. 7. Чернилевский Д.В. Детали машин: учеб. пособие для студ. вузов. – М.: Машиностроение, 2002. 8. Зимняков В.М. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств: Учебник/ Зимняков В.М., Курочкин А.А., Спицын И.А. и др. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2016. - 360 с. (ЭБС) 9. Панфилов В.А. Машины и аппараты пищевых производств. Учебник в 2 книгах. – М.: Высш. шк. 2001. - 1384с. 10. Дипломное проектирование по механизации переработки сельскохозяйственной продукции: учебное пособие для студентов вузов по спец. "Механизация перераб. с.-х. продукции" / под ред. проф. А.А.Курочкина. - Москва: КолосС, 2006. - 423 с. 11. Жуков В.А. Механика. Основы расчета и проектирования деталей машин: учебное пособие. - Москва: ИНФРА-М, 2015. - 349 с. (ЭБС) СОДЕРЖАНИЕ 105 Введение ........................................................................................... 3 Лекция 1. Принципы конструирования технологического оборудования .................................................................... 4 Лекция 2. Выбор конструкторских решений ................................... 21 Лекция 3. Основы надежности машин ............................................ 33 Лекция 4. Технологические и кинематические расчеты машин ..... 37 Лекция 5. Энергетические расчеты машин ..................................... 50 Лекция 6. Расчет рабочих органов измельчителей .......................... 59 Лекция 7. Расчет сепараторов .......................................................... 68 Лекция 8. Расчет теплообменных аппаратов ................................... 76 Лекция 9. Расчет оборудования для дозирования и упаковки продукции ....................................................................... 82 Лекция 10. Расчет исполнительных механизмов ............................ 95 Библиографический список ........................................................... 105 106 Мефодьев Михаил Николаевич Пшенов Евгений Александрович Мезенов Артем Анатольевич ОСНОВЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН И АППАРАТОВ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ Курс лекций Редактор Компьютерная верстка Т.К. Коробкова Т.А. Измайлова Подписано в печать 22 декабря 2015 г Формат 84108/32. Объем 7,5 уч.-изд. л Тираж 30 экз. Изд. № . Заказ № Отпечатано в мини-типографии Инженерного института 630039, г. Новосибирск, ул. Никитина, 147 107
