Технологічні розрахунки

3. ТЕХНОЛОГІЧНІ РОЗРАХУНКИ

3.1.Виробнича програма і режим роботи 

     

1. Визначення  дійсного фонду часу роботи обладнання цеху

     Номінальний річний фонд часу роботи обладнання Т_н при перервному виробництві розраховують за формулою:

     

  (3.1.)

     де  Т_р - кількість календарних днів у році (365); Т_в  - кількість вихідних днів у році (104); Т_св – кількість святкових днів у році (10); Т_{роб год} – кількість робочих годин за тиждень (40); Т_{роб дн} – кількість робочих  днів за тиждень (5); Т_{передсв} – тривалість робочого дня у передсвяткові дні (6); К – кількість змін, (2).

     

год.

     Дійсний річний фонд часу роботи обладнання Т_д (год) визначають, виходячи із Т_н з урахуванням загальних річних витрат часу на неминучі простої обладнання (К_пр)

               

.                           _(3.2.)

     При роботі неавтоматизованого, немеханізованого обладнання і стаціонарних ванн загальні витрати часу на простої обладнання, яке працює в у дві зміни складає 3 % від Т_н. Отже

     

год   
 
 
 
 
 
 

     3.1.2. Визначення виробничої програми цеху(дільниці)

     Для визначення річної виробничої програми Р_р річне виробниче завдання Р_з необхідно збільшити на величину виправного браку виробів, який складає 7% оскільки нанесення цинкового покриття проводять в ванні з барабаном:

                    

.                     _(3.3.)

     

м²/рік

     Добова  виробнича програма Р_доб складає:

                          

                               (3.4.)

     де  Т_доб – кількість робочих діб у календарному році, Тдоб=365-104-10=251 діб

            

м²/добу                  

     Годинна виробнича програма Р_г :

                               

                                 (3.5.)

     

 м²/год 
 

     

2. Вибір та розрахунки обладнання

 
     

1. Будова  гальванічних ванн та їх вибір у залежності від особливостей технологічного процесу.

     Основним  обладнанням для нанесення електрохімічних  покриттів є гальва-нічна ванна. Деталі із попередньо підготовленою поверхнею закріплюють на спеціальний завантажувальний пристрій і занурюють в електроліт гальванічної ванни таким чином, щоб аноди розташовувалися з обох боків завантажувального пристрою на рівній відстані. Для дрібних деталей як завантажувальний пристрій використовують барабанні електролізери або занурювальні дзвони, в яких деталі обробляються насипом.

       Гальванічна ванна являє собою зварну прямокутну ємність із листової сталі, яка має у верхній частині бортовідсмоктувачі  у вигляді сталевого кутника. Бортовідсмоктувач надає ванні необхідну жорсткість і використовується для закріплення на ній різної оснастки. Ванни великих розмірів зовні корпуса мають ребра жорсткості.

     Для захисту від агресивної дії електроліту  корпус ванни усередині футерують такими матеріалами як вініпласт, пластикат, поліпропілен, гума, свинець та ін. Для захисту від корозії зовні ванну фарбують. У деяких випадках, для агресивних розчинів, ванни виготовляють із корозійностійких  сталей, титанових сплавів або пластмас. Такі ванни використовують без футеровки. У нижній частині ванни обладнують зливним штуцером, у бік якого дно має нахил.

     Ванни, які живляться електричним струмом, встановлюють на опорних електроізоляторах, а інші ванни – на металевих підставках.

     Стаціонарні ванни, в яких використовують розчини  із шкідливими випаровуваннями, обладнують двосторонніми секційними відсмоктувачами із шиберними затворами. Кількість витяжних секцій приймають із такого розрахунку: одна секція на 0,7...0,8 м довжини ванни.

       Електричний струм до деталей та анодів у ванні підводиться за допомогою мідних або латунних штанг, які установлюють на бортах у спеціальних електроізоляторах. Штанги мають круглий або прямокутний переріз. У залежності від кількості катодних штанг гальванічні ванни поділяються на однопозиційні – одна катодна штанга і дві анодні; двопозиційні – дві катодні штанги і три анодні та багатопозиційні. У промисловості найбільш широко застосовуються однопозиційні ванни. До катодних і анодних штанг електричний струм від випрямних агрегатів підводиться за допомогою плоских мідних або алюмінієвих шин.

     Ванни для нанесення гальванічних покриттів  обладнують анодами, які в залежності від процесу можуть бути розчинними або  нерозчинними. Частіше застосовують розчинні аноди у вигляді пластин, розміри яких обумовлені стандартами (за необхідності пластини необхідних розмірів нарізають безпосередньо в цеху). З метою збільшення робочої поверхні анодам надають більш складну форму: еліпсоїдну, овальну, кулясту або у вигляді пластинок мм для нікелювання та міднення.

     Для завішування анодів на анодну штангу використовують спеціальні анодні тримачі  та контактні гачки. Вони виготовляються з міді, мають достатню площу контакту з анодною штангою і не повинні занурюватись в електроліт. Аноди у вигляді пластинок, кульок і залишки пластинчастих анодів завантажують у контейнери із титанової сітки.

     Для попередження попадання анодного шламу  в електроліт аноди розміщують у  захисні чохли. Такі чохли виготовляють з льняного полотна, склотканини, хлоринової та поліпропіленової тканин.

     При нанесенні гальванічних покриттів  на дрібні деталі як завантажувальні  пристрої використовуються барабанні  електролізери, у яких деталі оброблюються насипом. Вони використовуються як у складі автоматичних гальванічних ліній, так і як переносні пристрої в дрібносерійному  виробництві.

     Барабан являє собою шестигранну зварну або збірну призму, виготовлену із неметалевого кислотолугостійкого  матеріалу (наприклад, поліпропілену), яка закріплена на несучій рамі за допомогою підшипників ковзання і може здійснювати обертальний рух. Усі бокові грані барабана перфоровані. Перфорація необхідна для постійного оновлення електроліту усередині барабана та зменшення падіння напруги. Із збільшенням відношення площі отворів до площі поверхні бокової грані (ступеня перфорації) умови електролізу покращуються. Найбільш широко застосовують перфорацію з діаметром отворів 3...8 мм і міжцентровими відстанями 6...14 мм, ступінь перфорації барабанів складає 25...50%.

     На  торцевій стінці барабана є зубчасте колесо, виготовлене з того ж матеріалу, що й барабан. На несучій рамі змонтовані електродвигун з редуктором, який через зубчасте колесо обертає барабан, і струмознімальні контакти, що контактують із катодною штангою. Завантаження і вивантаження деталей з барабана здійснюють поза межами електролітичної ванни через одну із граней, яка є знімною.

     Електричний струм до деталей підводиться  за допомогою гнучких ізольованих  струмопроводів, які проходять через  осьові отвори в торцевих стінках  барабана. На кінцях струмопроводів змонтовані зйомні контакти, які контактують з деталями в барабані.

     Аноди у ванні підвішуються до штанг, які  розташовані зовні барабана. Для  зменшення міжелектродної відстані рекомендується використовувати аноди, вигнуті півколом навколо барабана.

     У стаціонарній гальванічній ванні барабанний електролізер підвішується до катодної штанги, а у ваннах автоматичної лінії – розташовується на спеціальних  опорах на бортах ванни.

     Барабанні електролізери виготовляють із вініпласту, текстоліту, оргскла та інших пластмас. Останнім часом для серійного  виготовлення барабанів використовують поліпропілен.

       Розміри гальванічних ванн, які  випускаються серійно, стандартизовані.  

     

2. Вибір ванн для автоматичної лінії та визначення величини одноразового завантаження

           В гальванічному  цеху для нанесення цинкового покриття  на дрібні деталі при малій програмі випуску застосовують ванни з барабанами.

           Тривалість обробки  однієї завантажувальної одиниці ( барабана з деталями) t складається із двох величин:

                       

,                           _(3.6.)

     де  - технологічний час (час обробки деталей у ванні) знаходять за формулою:

               

,                  _(3.7.)

     де  δ_п – товщина  цинкового покриття, мкм ( δ_п =12 мкм); d_м – густина цинкового покриття, 7,14 г/см³; В_с – катодний вихід за струмом (для цинку складає 0,97); К_е – електрохімічний еквівалент, 1,22 г/А^.год;  i_к – середня катодна густина струму, 2 А/дм².

     

хв.

     При нанесенні гальванічних покриттів  у барабанних електролізерах розрахований технологічний час (τ_m) необхідно збільшити на 15% у зв’язку з механічним стиранням покриття і нерівномірністю пересипу деталей при електролізі.

                

                      (3.8.)

     

хв. 

           Величину τ_об - часу обслуговування, необхідного для завантаження деталей у ванну та їх вивантаження, для розрахунків приймають 1,02 хвилини. Таким чином:

     

 хв.

          Сумарний час обробки всіх завантажень:

              τ_с =

,                         (3.9.)

     К_об для роботи  у дві зміни – 1,04.

     τ_с =

= 25557,31 год;

     Кількість одночасних завантажень всіх ванн:

       Р_п =

= = 6,58 м².            _(3.10.) 
 

     Попередньо  вибираємо барабан, величина завантаження якого становить 35 кг, а маса однієї деталі 0,0187 кг і відома площа однієї деталі, то можна розрахувати значення разового завантаження однієї ванни в м²:

     P =

=2,06 м².

     Розраховуємо  кількість ванн:

        n_в = = = 3,20 4 (округлюємо у бік збільшення)  (3.11.)           

     Таким чином приймаємо 4 ванни.

     Річна продуктивність ванни:

     Р_річ.в= Р

n_в= 1,89 4 = 65152,66 м²/рік

     Коефіцієнт  завантаження устаткування:

       

                                           _(3.12.)                          

3. Визначаємо кількість установок  та їхні габаритні розміри

     Вихідними даними для розрахунків є величина маси одноразового завантаження деталей G, кг та внутрішня довжина барабана l_б. Для розрахунку внутрішнього (Д_вн) і зовнішнього (Д_зов) діаметрів барабана визначають насипний об’єм деталей V_нас:

     

,    _(3.13.)

     де d_дет – густина металу деталі,  7860 кг/м³;

     

м³ 
 
 
 
 
 

      Потім розраховують розмір сторони  шестигранника а:

                    

.                          _(3.14.)

     Величину l_б  приймаємо рівною 0,7 м.

                                          

     Розміри барабана пов’язані з величиною  сторони шестикутника (а) формулами:

                  

м            _(3.15.)

     де m – товщина стінок барабана, її величину можна приймати 5 мм.

     

 м         _(3.16.)

     Внутрішня довжина ванни для барабана l, м:

         

м                      _(3.17.)

     де l_б – довжина барана, 0,7 м; l₁ – відстань між торцевими стінками барабана і стінками ванни, приймають 0,15 м.

     Внутрішня ширина ванни В, м:

      м  _(3.18.)

     де  В₁ – відстань між анодом і ближнім краєм барабана, приймають 0,20 м;  В₂ – відстань між анодом і повздовжньою стінкою ванни, приймають у межах 0,05 м; В_А – товщина анодів, 0,05 м

     Внутрішня висота ванни h, м:

     

 м         _(3.19.)

     де h₁ – відстань від дна ванни до нижнього краю барабана (по описаному колу), складає 0,3 м; h₂ – відстань від дзеркала електроліту до верхньої частини барабана (по описаному колу), складає 0,2 м; h_б – відстань від дзеркала електроліту до верхнього краю бортів ванни, приймають у межах 0,2 м; Д_зов - зовнішній діаметр описаного кола барабана.

     Вибираємо ванну за допомогою ГОСТ 23738-85 з наступними габаритами:

     L = 1120 мм ,                               

     B = 1000 мм ,                                

     H = 1250 мм ,                            

     V = 1,4 м³ 
 

     3.2.4. Розрахунок ритму роботи автоматичної лінії 

           Спочатку визначаємо розрахунковий ритм R_р виходу одиничних завантажень при роботі АОЛ:

                     

                              (_3.20.)

     де  Т_д – дійсний фонд часу роботи обладнання, год; К_р – коефіцієнт, що показує частину робочого дня АОЛ видає підвіски з покритими деталями (їх вихід із лінії можливий після того , як будуть в повному обсязі виконані усі технологічні операції згідно технологічного процесу), для розрахунків приймають К_р= 0,8-0,9; N₀₃ – річна виробнича програма в одиницях  завантажень.

     Величину N₀₃ визначають за формулою:

                                  

                                 (_3.21.)

     де  Р_р - річна виробнича програма, м²;

     S₀₃- величина одноразового завантаження, м²;

     Для барабанних електролізерів величину S₀₃, м² визначають за формулою:

                                

,                             _(3.22.)

     де G – величина одноразового завантаження барабана,  35 кг; S_пит – питома площа одного кілограма деталей, у залежності від конфігурації деталей, 0,0588 м²/кг.

     

м²

     Таким чином 

     

     Тоді

     

, с

     R_р > 240 ÷ 280, отже R_р= R_.

     3.2.5. Розрахунок кількості ванн в автоматичній лінії

     Кількість основних ванн n_ов для нанесення гальванічного покриття визначають за формулою:

                               

                                  (3.23.)

     де  τ – час обробки однієї завантажувальної одиниці, хв;

     R – ритм видавання підвісок.

     

     Розраховуємо  коефіцієнт завантаження К_зав основних ванн

                             

                           (_3.24.)

     

     Кількість ванн для допоміжних операцій розраховуємо за такою ж формулою, як і для основних ванн. Величину τ для кожної операції приймають із карти технологічного процесу.

     Кількість ванн для хімічного знежирення:

     

Таблиця 3.1.

Технічні  характеристики ванн гальванічної лінії

Найменування  ванн	Розмір, мм	Кіль-кість	Робочий об’єм, дм3	Примітки
Знежирення  хімічне	1120×1000×1250	1	1400	Нагрів, вентиляція, теплоізоляція, стінки 4 мм
Електрохімічне  знежирення         катодне	1120×1000×1250	1	1400	Нагрів, вентиляція, теплоізоляція, стінки 4 мм
Електрохімічне  знежирення         анодне	1120×1000×1250	1	1400	Нагрів, вентиляція, теплоізоляція, стінки 4 мм
Травлення	1120×800×1250	2	1400	Вентиляція, ванна  футерована, стінки 4 мм
Цинкування	1120×1000×1250	4	1400	Вентиляція, ванна футерована, стінки 4 мм
Уловлення	1120×800×1250	2	1120	Ванна футерована, стінки 4 мм
Хроматування	1120×800×1250	1	1400	Вентиляція, ванна  футерована, стінки 4 мм
Освітлення	1120×800×1250	1	1120	Вентиляція, ванна  футерована, стінки 4 мм
Промивка  холодна	1120×800×1250	5	1120	Ванна футерована, стінки 4 мм
Промивка  тепла	1120×1000×1250	2	1400	Нагрів, вентиляція, теплоізоляція, ванн футерована, стінки 4 мм

 
 

3.2.6. Компоновка автоматичної лінії та визначення їх габаритних    розмірів

     Після вибору і розрахунків кількості  ванн та іншого обладнання визначають вид компоновки гальванічних ванн і, користуючись вимогами до розташування  ванн та іншого її обладнання, відстанями між окремими елементами лінії, складаємо компоновку.

     При компонуванні вибирають таке розташування ванн, щоб кількість холостих пробігів автооператорів була найменшою. Як правило, на початку лінії завантажувально-розвантажувальний стояк, потім сушильну камеру, ванни підготовки поверхні, у кінці лінії ванни для нанесення гальванічного покриття. При цьому передбачають ванни, в яких буде відбуватися передача підвісок від першого автооператора до другого і навпаки. 

Завантаження розвантаження

Сушка

Підготовчі

Фінішні

Основні

        

     Згідно  з прийнятою компоновкою лінії розраховуємо її габаритні розміри.

     Довжину автоматичної лінії визначаємо за формулою:

     

        (_3.25.)

     де  N – кількість ванн одного типорозміру

     В – ширина ванн одного типорозміру;

     В_с – ширина сушильної камери, для барабанів приймають 700 мм;

     В_з – ширина  завантажувально-розвантажувального пристрою, приймають 700 мм;

     ΔВ_зс – зазор між стінкою сушильної камери та завантажувально-розвантажувальним пристроєм, приймають 390 мм;

     n₀ – кількість поєднання без бортовідсмоктувачів;

     ΔВ₀ – відстань між стінками ванн без бортовідсмоктувачів, для ванн довжиною до  1600 мм приймають 160мм;

     n₁ – кількість поєднань з однобічними бортовідсмоктувачами;

     ΔВ₁ – відстань між стінками ванн з однобічними бортовідсмоктувачами, для ванн довжиною до 1600 мм приймають 290мм;

     n₂ – кількість поєднання з двобічними бортовідсмоктувачами;

     ΔВ₂ -  відстань між стінками ванни з двобічними бортовідсмоктувачами, для ванн довжиною до 1600 мм приймають 390 мм;

     В_б – ширина однобічного бортовідсмоктувача, для ванн довжиною до 1600мм приймають 212 мм.

     

мм = 22,759 м

     Ширина  автооператорної лінії В_л   визначають за формулою

                                 В_л= l+В₁+В_{2                                                                       (3.26.)}

     де  l – внутрішня довжина ванн, мм;

     В₁ – відстань від внутрішньої стінки ванн до зовнішнього боку автооператора підвісного типу, складає 655 мм.

     В₂ – відстань від внутрішньої частини стінки ванни до зовнішнього боку площадки обслуговування, приймають 1165 мм.

     В_л = 1120+655+1165=2940 мм = 2,94 м

     Висота  автооператорної лінії залежить від типу автооператора та внутрішньої висоти ванни. Висота ванни становить 1250 мм, тоді висота лінії буде становити 4250 мм або 4,25 м 

     3.2.7. Розрахунок кількості автооператорів в автооператорній лінії

     Вибираємо підвісний монорейковий автооператор:

     Модель  автооператора  ВПТІ Буддормаш (Москва).

     Вантажопідіймальність 160–320 кг.

     Висота  піднімання  1100–2250 мм.

     Швидкість пересування  0,45 м/с.

     Швидкість піднімання – спуску вантажу  0,14÷0,28 м/с.

     Розрахунок  орієнтовної кількості автооператорів n_a здійснюється за формулою:

                                

,                                   _(3.27.)

     де  Т₁ – сумарний час на горизонтальне переміщення автооператора, с;

     Т₂ – сумарний час вертикальних переміщень автооператора, с;

     Т₃ – сумарний час вистою автооператора над позиціями, с.

         

,                  _(3.28.)

     де l_cp – середня відстань між осями сусідніх ванн;

     l_cp = L_л/ n_поз = 22,759/20 = 1,138 м;

     n_поз – кількість технологічних позицій в лінії, n_поз = 20;

     V_г – швидкість горизонтального переміщення автооператора, м/с; V_г = 0,45;

     k – коефіцієнт, що враховує холості  ходи автооператора і компоновку  АОЛ. Коефіцієнт k приймаємо рівним 4, так як деякі гальванічні ванни розташовані в кінці АОЛ.

                    

,                   _(3.29.)

     де  Н – висота піднімання траверси автооператора, м; Н = 2м. V_в – швидкість вертикального переміщення траверси автооператора, м/с V_в=0,2 м/с.

         

,                     _(3.30.)

     де  – сумарний час вистою для виконання коротких технологічних операцій, с; – сумарний час вистою автооператора для стікання розчинів з підвіски або барабана, с; – загальний час вистою автооператора після його переходу до позиції для погашення інерційних сил у рухомих вузлах системи, с.

                    

= 20n_поз = 20×20 = 400 с,                       _(3.31.)

          

= 7×(20 – 2) = 126 с,             _(3.32.)

             

= 3×20 = 60 с,                            _(3.33.)

              

.                _(3.34.) 

     3.3. Розрахунок витрат  електроенергії електрохімічними  ваннами АОЛ та іншими її споживачами на виконання річної виробничої програми 

     3.3.1. Баланс струму на електрохімічних ваннах АОЛ

        Сила струму I, А на однопозиційній ванні визначається  

                         

,                                    _(3.35.)

     де  коефіцієнт К=1,08.

     Для барабанних електролізерів величину S₀₃, м² визначають за формулою:

                                

,                             _(3.36.)

     де G – величина одноразового завантаження барабана,  35 кг; S_пит – питома площа одного кілограма деталей, у залежності від конфігурації деталей, 0,0588м²/кг.

     

м² 

     Отже  сила струму:

     

А

     У стандартному електроліті цинкування на електродах перебігають такі електрохімічні процеси: