Гравитационный бетоносмеситель

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Новосибирский Государственный Архитектурно-строительный

Университет. 
 

Кафедра строительных машин 
 
 

Курсовая  работа

По дисциплине «транспортное оборудование»

Тема:

«Гравитационный бетоносмеситель» 
 
 
 

Выполнил: студент гр 461-з

Гончаров  И. М.

Проверил: Дедов А.С. 
 
 

Новосибирск 2010 
Описание проектируемого оборудования.

     Бетоносмеситель – машина для приготовления однородной бетонной смеси механическим смешением ее составляющих (цемент, песок, щебень или гравий, вода). По характеру работы различают бетоносмесители цикличные и непрерывного действия. При приготовлении смеси в цикличном бетоносмесителе материалы загружаются порциями, причем каждая очередная порция поступает после того, как готовая смесь выгружена из корпуса бетоносмесителя. В бетоносмесителе непрерывного действия загрузка материалов, их смешение и выгрузка готовой смеси происходят непрерывно, вследствие чего, их производительность превышает производительность смесителей циклического действия.

     Основным  параметром смесителей непрерывного действия является производительность. Перемешивание  компонентов в гравитационных смесителях происходит в барабанах и внутренних стенках, к которым прикреплены  лопасти. При вращении барабана смесь  поднимается на некоторую высоту лопастями, а также силами трения, а затем сбрасывается вниз. Для обеспечения однородности смеси необходимо произвести 30-40 циклов подъема и сброса смеси в барабан.

     Для обеспечения свободного перемешивания  смеси в барабане, его объем  в 2,5-3 раза должен превышать объем смеси. Скорость вращения барабана должна быть невысокая, так как в противном случае центробежные силы инерции будут препятствовать свободному перемещению смеси. Бетоносмесители изготавливают с наклоняющимися и стационарными барабанами. Эти барабаны выполняют грушевидной, конусной и циклической формы.

     На  заводах большой производительности (свыше 100 м/ч) применяют смесители  непрерывного действия. Компоненты перемешиваются в циклическом барабане 1, Внутри которого по винтовой линии устанавливаются лопасти 3 при вращении барабана компоненты смеси, поступающие непрерывным потоком по загрузочной воронке 9, перемешиваются лопастями в окружном и осевом направлении. В результате чего они перемешиваются и непрерывно продвигаются к разгрузочному торцу барабана.

       

     Бода  подается в барабан по трубе 6, через  распылитель 4. Барабан вращается  двигателем 10. Через муфту 11, редуктор 12, зубчатое колесо 13, зубчатый венец 5, прикрепленный к барабану. Барабан  свободно опирается бандажами 2 на ролики 7, установленные на раме 14. Осевым перемещениям барабана препятствуют опорные ролики. 
 
 
 

     Определение конструктивно-кинематических параметров. 
 

     Объем смеси, одновременно находящейся в  барабане, м³ 

     Vз = (П_см * t) / 3600

     Vз = (100 * 120) / 3600 = 3,3 

     Где П – производительность смесителя (заданная), м³/ч; t – время перемешивания смеси, t = 120 сек. (V_з – более 500 л.).

     Рабочий объем смеси в барабане, м³ 

     V_P = V_З / K_B

     V_P =3,3 / 0,67 = 4,925 

     Где K_B – коэффициент выхода смеси (K_B = 0,67)

     Основные  размеры барабана 

     Внутренний  диаметр (м):

     D₀ = (0,78…0,83)*V_P^0,33

     D₀ = 0,83*4,925^0,33 = 1,4 

     Толщина стенки барабана (м):

     δ = (0,015…0,020)*D₀

     δ = 0,020*1,4 = 0,028 

     наружный  диаметр (м):

     D_H = D₀ + 2δ

     D_H = 1,4 + 2*0,028 = 1,456 

     L_Б = (2,5…2,6)*D₀ = 2,6*1,4 = 3,64

     А = (1,75…1,78)*D₀ = 1,78*1,4 = 2,492

     С = (0,12…0,13)*D₀ = 0,13*1,4 = 0,182

     В = L_Б – А – С = 3,64 – 2,492 – 0,182 = 0,966 

     Фактический геометрический объем барабана, м³ 

     V_Г = (π/4)* D₀² * L_Б

     V_Г =(3,14/4)* 1,4² * 3,64 = 5,6 

     Фактический коэффициент заполнения: 

     Ψ_факт = V_P / V_Г = 4,925/5,6 = 0,88

     (Ψ = 0,33…0,40) 

     При расхождении значений Ψ_факт и Ψ рекомендуется изменить размеры барабана.

     Изменяем  внутренний диаметр  барабана D₀ 

     D₀ = 1,13 * V_P^0,33 = 1,13 * 4,925^0,33 =1,9124 

     Толщина стенки барабана (м):

     δ = (0,015…0,020)*D₀

     δ = 0,020*1,9124= 0,0384 

     наружный  диаметр (м):

     D_H = D₀ + 2δ

     D_H = 1,9124 + 2*0,0383= 1,989 

     L_Б = (2,5…2,6)*D₀ = 2,6*1,9124= 4,97

     А = (1,75…1,78)*D₀ = 1,78*1,9124= 3,41

     С = (0,12…0,13)*D₀ = 0,13*1,9124= 0,249    

     В = L_Б – А – С = 4,97– 3,41– 0,249= 1,311 

     С^’= (0,18…0,19)*D₀ = 0,18*1,9124= 0,349

     А^’ = (1,75…1,78)*D₀ = 1,78*1,9124= 3,31

     В^’ = L_Б – А – С = 4,97– 3,31– 0,349= 1,311 

     Фактический геометрический объем барабана, м³ 

     V_Г = (π/4)* D₀² * L_Б

     V_Г =(3,14/4)* 1,9124² * 4,97= 14,27 

     Ψ_факт = V_P / V_Г = 4,925 = 0,345

     

     Размеры опорного бандажа и опорных роликов (каждый размер после его определения  округляется до нормального линейного  значения), м: 

• Диаметр опорного ролика

d_p = (0,18…0,22)* D₀ =0,22*1,9124 = 0,421 м 

• Ширина опорного ролика

b_p = (0,32…0,36)*d_p =0,36*0,421 = 0,151 м 

• Диаметр оси  опорного ролика

d₀ = (0,20…0,25)* d_p = 0,25*0,421 = 0,105 м 

• Угол установки опорных роликов

β = 32…36⁰ = 36⁰ 

• Толщина опорного бандажа

h_Б = (0,024…0,026)*D₀ = 0,026*1,9124 = 0,0497 м 

• Величина зазора между бандажом и барабаном

∆ = (0,005…0,01) = 0,01 м 

• Ширина опорного бандажа

b_Б = b_p + (0,04…0,05) = 0,151 + 0,05 = 0,2 м 

• диаметр опорного бандажа

D_Б = D₀ + 2*(δ + ∆ + h_Б)

D_Б =1,9124 + 2*(0,384 + 0,01 + 0,0497) = 2,1086 м 
 

Дополнительные  размеры узлов  и деталей 
 

     После определения каждый размер округляется  до нормального линейного значения.

     Бетоносмесители с периферийным приводом.

• Диаметр зубчатого венца

D_зв = D_Б + (0,005…0,015)

D_зв = 2,109 + 0,015 = 2,124 (2,0) м 

• Ширина зубчатого  венца

b_зв = (0,085…0,095)* D_зв

b_зв =2,124*0,095 = 0,2 м 

Основные кинематические параметры бетоносмесителей

Критическая угловая  скорость (с^-1) и частота вращения барабана (мин^-1) 

ω_кр = √g*(sinγ₀ – f*cosγ₀) /R₀

n_кр = 30ω_кр/π 

где g – 9,81(м/с²); f – коэффициент трения бетонной смеси о лопасть; f = 0,4…0,5 (большие значения f рекомендуется принимать для малоподвижных и жёстких смесей); γ₀ – угол внутреннего трения бетонной смеси; γ₀ = 43…45⁰; R₀ – наибольший внутренний радиус барабана, м; R₀ = D₀/2 

R₀ =1,9124/2 = 0,9562 

ω_кр =√9,81*(0,7 – 0,5*0,7) / 0,9562 = √3,6266 = 1,9043с^-1 

n_кр = 30*1,9043/3,14 = 18,19 мин^-1 

Номинальная угловая  скорость вращения, с^-1

ω_ном = (0,9…0,95)*ω_кр =

ω_ном =0,95*1,9043 = 1,809с^-1 

номинальная частота  вращения, мин^-1

n_ном = 30ω_ном/π

n_ном =(30*1,809)/3,14 = 17,28 об/мин 
 

3. расчёт потребляемой мощности 

     3.1. определение рабочих нагрузок. 

     Сила  тяжести бетонной смеси Н:

     Полная:

     G_см = V_з*ρ_см*g

     G_см =3,3*9,81*2500 = 80932,5 Н 

     Поднимаемая за счёт сил трения:

     G₁ = 0,85 G_см

     G₁ = 0,85*80932,5 = 68792,6 Н 

     Поднимаемая в лопастях:

     G₂ = 0,15 G_см = G_см – G₁

     G₂ =  80932,5 - 68792,6 = 12139,9 Н 

     Где V_з – объём готового замеса, м³; ρ_см – плотность смеси кг/м³;

     g = 9,81 м/с² 

     сила  тяжести барабана, Н; для смесителей непрерывного действия:

     G_Б = K_Б* ρ_ст*L*g*(D_Н² – D₀²)*(π/4)

     G_Б =1,23*7850*4,9722*9,81*(1,9888² – 1,9124²)*3,14*4 = =110192,895 Н 

     Где K_Б – коэффициент, учитывающий массу бандажа лопастей, фланцев и т.п.; K_Б = 1,15…1,23; g = 9,81 м/с²; ρ_ст – плотность стали, 7850 кг/м³  
 

     3.2. расчёт мощности, затрачиваемой на  перемешивание 

     Средняя высота подъема перемешиваемых компонентов  за счет сил трения (h₁) и в лопастях (h₂) м: 

     h₁ ≈R₀

     h₁ ≈ 0,9562 м 

     h₂ = (I + sinγ₀)* R₀

     h₂ =1 + 0,7)*0,9562 = 1,6323 

     время одного оборота барабана, с: 

     t_об = 60/n_ном

     t_об = 60/17,28 = 3,47 с 

     время подъема смеси в лопастях t₁ и падения компонентов смеси с высоты h₂(t₂), с: 

     t₁ = (90 + γ₀)/(60*n_ном)

     t₁ =(90 + 45)/(60*17,28) = 0,130 с 

     t₂ =(2* h₂/g)^0,5

     t₂ =(2* 1,6323/9,81)^0,5 = 0,58 с 

     где n_ном – номинальная частота вращения барабана, мин^-1;

     g = 9,81 м/с²;

     число циркуляций смеси за 1 оборот барабана за счет сил трения (Z₁) и в лопастях (Z₂), об^-1 

     Z₁ = 360/2*γ₁

     Z₁ = 360/2*90 = 2 об^-1 

     Z₂ = t/( t₁ + t₂)

     Z₂ = 3,47/(0,130 + 0,58) =4,887 об^-1 

     Где γ₁ – угол перемещения смеси, γ₁ = 2* γ₀

     Мощность, затрачиваемая на перемешивания, Вт: 

     N₁ = (G₁ h₁ Z₁ + G₂ h₂ Z₂)* n_ном / 60

     N₁ = (68792,6*0,9562*2 + 12139,9*1,6323*4,887)*(17,28/60) = =65779,07 Вт

     3.3. Расчет мощности, затрачиваемой на преодоления сил трения в опорах бетоносмесителей. 

     Мощность, затрачиваемая на преодоление сил  трения в опорах, определяется в  зависимости от конструкции бетоносмесителя, Вт: 

• Для смесителей цикличного и непрерывного действия с периферийным приводом.

 

     N₂ = (G_см + G_б)/cosβ * (D_б + d_р)/d_р * (μ₁ + μ₂ d₀/2)*ω_ном  

где ω_ном – номинальная угловая скоость вращения барабана, с-¹;

     μ₁ – коэффициент трения качения, приведенный к валу или оси подшипника опорного устройства; μ₁ = 0,01…0,015; μ₂ – коэффициент (плечо) трения качения бандажа по опорным роликам; μ₂ = 0,0008…0,001 м; d₀ – диаметр оси опорного ролика, м; D_б – диаметр опорного бандажа, м; d_р – диаметр опорного ролика, м; β – угол установки опорных роликов, град. 

     N₂ = ((80932,5 + 110192,89)/0,809)*((2,1086 + 0,4207)/0,4207)*

     *(0,001 + ((0,015*0,1052)/2))*1,809 = 4596,7 Вт 

     Полная  потребляемая мощность, Вт 

     N_пол = N₁ + N₂

     N_пол = 65779,07 + 4596,7 = 70375,77 Вт 
 
 

     4. Кинематический расчет  привода. 

     4.1. определение общего  КПД привода 

     Общий КПД привода смесителя  будет зависеть от выбранной (или приведенной в задании) кинематической схемы смесителя и особенностей его привода: того или иного типа редуктора, наличия открытой зубчатой или клиноременной передачи, наличия зубчатого синхронизатора и соединительных муфт 

     η_пр = η_ред * η_пер * η_м^х  

     где η_ред – к.п.д. редуктора; η_пер – к.п.д. открытой передачи; η_м – к.п.д. муфты; х – число муфт 

     η_пр = 0,97*0,95*0,99 = 0,912285 

     4.2. выбор электродвигателя 

     Для смесителей непрерывного действия с  гравитационным перемешиванием и периферийным приводом рекомендуется использовать асинхронные электродвигатели переменного  тока (4А, АО и т.д.) с синхронной частотой вращения n_с = 1000…1500 мин^-1

     Требуемая мощность на валу электродвигателя, кВт: 

     N_тр = N_пол / 10³ *η_пр

     N_тр = 70375,77/912,285 = 73,1423 кВт 

     Где N_пол – полная потребляемая мощность, Вт; 

     Условие выбора электродвигателя

     N_ДВ ≥ N_тр 

     Техническая характеристика электродвигателя. 

     Марка 4А280S6УЗ

     Мощность (N_ДВ кВт) = 75 кВт (101,97 л.с.)

     Частота вращения (n_ДВ, мин^-1) = 985 мин^-1 
 
 
 
 
 

       
 
 

 
 
 

     4.3. выбор передаточного механизма (редуктора) 

     Выбор типа передаточного механизма и  его исполнение обусловлен кинематической схемой проектируемого смесителя.

     Общее передаточное отношение привода 

     U_пр = n_ДВ / n_ном

     U_пр =985/17,28 = 57,00 

     где n_ДВ и n_ном соответственно, частоты вращения вала двигателя и рабочего органа (вала или барабана), мин^-1

     для смесителей с отдельно установленным  электродвигателем расчетное передаточное число редуктора: 

     U_расч. = U_пр / U_пер

     Где U_пер – передаточное отношение открытой передачи (при её наличии): для зубчатых венцовых гравитационных бетоносмесителей с периферийным приводом U_пер = 7…8 

     U_расч = 57/8 = 7,12 

     Условие выбора редуктора: 

     U_ред ≈ U_расч

     N_подв ≥ N_дв 

     Где U_ред – фактическое передаточное число редуктора; N_подв – подводимая мощность к редуктору (при соответствующей синхронной частоте вращения вала и режиме работы редуктора), кВт. 

       Техническая характеристика  редуктора. 

     Марка Ц2У – 315

     Режим работы непрерывный 

 
 
 

       

ПРИСОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ВАЛОВ РЕДУКТОРОВ 1Ц2У, 1Ц2Н

      

 

ПРИСОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ТИХОХОДНОГО ВАЛА В ВИДЕ ЗУБЧАТОЙ ПОЛУМУФТЫ

 
 
 

     Передаточное  число (U_ред) – 8,0

     N_подв  кВт подводимая мощность 75 кВт

     Максимальная  частота вращения nδ мин^-1 для u = 8,0 – 1500

     На  быстроходном валу Рδ для передаточного числа u = 8,0 – 400

     Коэффициент полезного действия n = 0,97

     Габаритные  размеры 1030*720*685

     Масса 520 кг 
 

     4.4. Выбор соединительной муфты 

     Для соединения валов между собой  используются втулочно-пальцевые (МУВП), зубчатые(МЗ) и другие аналогичные муфты.

     Выбор муфт осуществляется по расчетному вращающему моменту (М_расч), передаваемому муфтой, с учетом диаметров соединительных валов 

     М_{расч i} = к₃ * М_i 

     где к₃ – коэффициент запаса, к₃ = 1,2…1,3; М_i вращающий момент на соединяемых валах, кН*м 

     М_i = N_дв * n_i / ω_i  

     Где ω_i – угловая скорость вращения соединительных валов, с^-1; n_i – общий КПД деталей и узлов, расположенных между двигателем и устанавливаемой муфтой 

     ω = π*n/30 = 3,14*985/30 = 103,0967 рад/сек

     М_i = 75*1/103,0967 = 0,7274 кН*м

     М_{расч i} = 1,3*0,7274 = 0,9457 кН*м

     Условие выбора муфт

     М_{н i} ≥ М_{расч i}

     d расточки = (d_i ; d_у) 

     где М_{н i} – номинальный передаваемый вращающий момент выбираемой муфты, кН*м; d_i и d_у – диаметр соединительных валов, мм; d расточки – интервал диаметров расточки под вал у выбираемого типоразмера муфты, мм.

     Принимаем втулочно-пальцевую муфту (МУВП). 
 

     Техническая характеристика муфты 

     Марка МУВП

     Количество 1 

     

     1 - полумуфта; 2 - палец; 3 - втулка распорная; 4 - втулка  упругая. 
 
 
 

     5. Расчет деталей  и узлов. 

     Производится  по следующей схеме.

     Составление расчетной схемы, нагружение с указанием необходимых конструктивных размеров и действующих нагрузок;

     Определение действующих нагрузок с построением  требуемых по расчету эпюр и диаграмм;

     Проверочный расчет. 

     5.1. расчет бандажей и опорных  роликов бетоносмесителей с гравитационным перемешиванием и периферийным приводом. 

     Проверочный расчет бандажей и опорных роликов  производится по контактным напряжениям (Па) из условия: 

     σ_н = 0,418 √F_k E /b_i p ≤ [σ_н] 

     где [σ_н] – допускаемое контактное напряжение, Па; для стали - [σ_н] = 800*10⁶Па; F_k усилие по линии контакта бандажа барабана и опорного ролика, Н; E – модуль упругости; Па; для стали - E = 2*10¹¹Па; b_i ширина бандажа барабана (опорного ролика), м; принимается меньшее из двух значений; р – приведенный радиус кривизны, м усилие по линии контакта бандажа барабана и опорного ролика Н 

 

     6. Техника безопасности при эксплуатации и обслуживании 

     Рассматриваемое смесительное оборудование отличается большими габаритными размерами  и тяжелыми условиями работы.

     При его проектировании и монтаже  следует особое внимание обратить на выполнение рабочих постов ремонтных  площадок трапов, чтобы полностью  исключалась возможность падения  персонала с высоты и в движущиеся шламовые бассейны и контакта с движущимися  частями машин.

     Особое  внимание необходимо уделять состоянию  электрических цепей и аппаратуры, так как они работают во влажной  среде. Рабочие посты должны быть установлены на электроизоляторах.

     Состояние электрооборудования и линий  заземления должно проверяться перед  началом каждой смены.