Повышение качества смеси в бегунах с вертикально-вращающимися катками

Введение

 
    Литейное  производство в современных условиях представляется одной из самых перспективных  отраслей промышленности, т.к. именно оно  позволяет получить готовые изделия  сразу в объёме. В связи с  этим основной задачей литейного  производства является получение отливок самого высокого качества, без последующей механической обработки и с минимальными затратами.

    Современные бегуны это высокопроизводительное автоматизированное смесеприготовительное  оборудование, которое применяется  в основном для приготовления смесей на основе глин, бентонита и бентонитовых суспензий. Такие бегуны позволяют получать смеси с высокими физико-механическими свойствами.

    Смешивающие бегуны применяют для приготовления  формовочных и стержневых смесей в литейных цехах массового, серийного и единичного производства.

    Среди средств повышения качества получаемой продукции необходимо отметить следующие: внедрение дополнительных устройств  и механизмов для повышения качества формовочной смеси, бронирование катков слоем резины для осуществления сдвига слоев смеси.

    При разработке конструкции бегунов, исходя из конструктивных соображений рациональной компоновки рабочих органов бегунов (катков и плужков) и с учетом аналогичных  данных одной из осуществленных конструкций  бегунов близкого типоразмера, намечают геометрические размеры и расположение рабочих органов проектируемых бегунов и подбирают частоту вращения вертикального вала машины.

    Целью курсового проекта является не повышение  производительности, а улучшение  качества получаемой смеси и как  следствие снижение затрат на мехобработку и уменьшение количества брака. 
 
 
 

1. Анализ и  выбор констркутивно-технологической  схемы

 
    Вопросу   повышения   качества   смеси   в   бегунах   с   вертикально-вращающимися катками (ВВК) посвящено много работ.

1) В одних работах [3, с 75], например, чтобы интенсифицировать процесс предлагается: на катках устанавливать пальцы (рис. 1.1); по окружности катка делать прорези, которые забиваются смесью, а затем эта смесь удаляется с помощью гребенки; на катки наносят рифление либо, их обрезинивают с целью осуществить сдвиг одного слоя смеси относительно другого, а фирма ВМД, например, ставит в смеситель ВВК изношенные самолетные шины и т.д. [1]. Предложенная на рис. 1.1 модернизация практически не усложняет конструкцию, дешева в реализации, но существенных преимуществ не даёт. А по сравнению с дополнительным применением рыхлителей (ворошилок) вообще имеет худшие показатели.

    2) В других работах предлагается  заменять катки другими рабочими  органами либо в смеситель  дополнительно устанавливать перемешивающие агрегаты (рис. 1.2) [2, с. 54]. На рис. 1.2 показана схема модернизации бегунов, с заменой одного катка на рыхлитель без привода (рис. 1.3). Такая модернизация бегунов базовой комплектации позволяет улучшить качество смеси, и технически реализовать такую схему   совсем   не   сложно.   В   виду   того,   что   нет   необходимости 
 
 
 

полностью перерабатывать траверсу, на которой крепятся катки. Но у данного варианта есть существенный недостаток: вращение рыхлителя не возможно предсказать ни в какой момент времени, а также нельзя с уверенностью сказать будет ли он вращаться.

3) Дополнительная      установка      рыхлителя      в      смесителях      ВВК

ограничивается  затратами  на такую  модернизацию  и  конструкция

усложняется на столько, что её эксплуатация затруднительна. К тому

же конструктивно  тяжело выполнить привод такого рыхлителя.

В   этой   связи   в   данной   работе   я   предлагаю   следующий   вариант

модернизации  смесителя с ВВК: заменить один каток  на рыхлитель (рис. 1.3),

который   будет   приводиться   в   движение   при   помощи   клиноремённой

передачи  от центрального вала. Такой вариант  экономически выгоден, не

смотря  на некоторое усложнение конструкции, а технологически качество

смеси  оказывается  лучше,   чем   при не   приводном рыхлителе за   счет

постоянного вращения рыхлителя. Причем вращение такого рыхлителя будет

осуществляться  с постоянной скоростью достаточной  для осуществления

интенсификации  смесеприготовления. 
 

     Приводной рыхлитель  будет вращаться только в одну сторону противоположную направлению вращения траверсы. Такое направления вращения дает лучшее перемешивание в сравнении с вращением по ходу движения. Причём движение рыхлителя сложное состоящее из: относительного вращения самого рыхлителя и переносного движения вместе с траверсой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2     Технические характеристики, описание  работы и правила эксплуатации

 
    Бегуны  этого типа устроены следующим образом. Внутри неподвижной чаши вращается вертикальный вал, приводимый в движение через редуктор от электродвигателя. Вместе с валом вращается траверса, на которой при помощи шарниров или кривошипов укреплены катки с горизонтальной осью вращения. Кроме того, на траверсе под определенным углом к направлению движения закреплены два плужка.

    На  рис. 2.1 [3, с. 48] показана схема смешивающих  бегунов с вертикальными катками. Катки предназначены для разминания и уплотнения смеси в

чаше при ее перемешивании. Катки сидят на своих  осях свободно и поэтому катятся  во время работы машины по поверхности смеси. Крепление катков 
 

на траверсе при помощи кривошипов дает возможность  каткам «всплывать» на поверхность  смеси при повышении уровня смеси  в чаше во время загрузки бегунов  и соответственно опускаться при  понижении уровня смеси во время разгрузки бегунов. Минимальное расстояние катка до днища чаши устанавливается при отсутствии в ней смеси, так, что каток непосредственно по днищу катиться ни при каких условиях не может.

    Кроме катков, на траверсе на специальных  кронштейнах закреплены два плужка. Два плужка, внутренний и наружный, во время работы бегунов двигаются внутри смеси у днища чаши. Плужки предназначены для перемещения смеси внутри чаши, а также для очистки от смеси дна чаши. От правильности установки и регулирования положения плужков зависят качество и интенсивность перемешивания и нагрузка на электродвигатель привода бегунов.

    Рабочие поверхности всех плужков облицованы плитками из твердого сплава, снижающими износ плужков, вызываемый абразивным действием смеси.

    В смешивающих бегунах с вертикальными катками процесс перемешивания происходит на горизонтальной поверхности днища чаши.

    Рабочий процесс смесеприготовления на бегунах  периодического действия с вертикальными  катками осуществляется следующим  образом.

    Вертикальный  вал с траверсой, двумя катками и плужками вращается непрерывно. После очередной разгрузки приготовленного замеса в чашу бегунов подается новая доза компонентов, подлежащих смешиванию. Количество и последовательность ввода компонентов определяется рецептурой приготавливаемой смеси.

    Катки, катящиеся по рыхлой поверхности  смеси, действием своего веса уплотняют  материал. По мере накатывания катка  на смесь в последовательно уплотняемых  катком слоях смеси происходит относительное  скольжение частиц в вертикальных плоскостях, которое сопровождается вращением частиц,   их   перетиранием   и   обволакиванием   глинистыми   связующими. 
 
 
 

Двигающиеся в чаше плужки вновь разрыхляют смесь  и перемещают ее внутри чаши. При  разрыхлении и перекатывании  смеси по дну чаши плужками происходит относительное скольжение частиц смеси уже в горизонтальных плоскостях, которое также сопровождается их вращением, перетиранием и обволакиванием глинистыми связующими. Плужки поставлены в чаше таким образом, что при передвиганий смеси по дну чаши они не только разрыхляют смесь, перемешивая и аэрируя ее, но также и подгребают смесь под катки, которые затем, накатываясь на эти разрыхленные слои смеси, вновь уплотняют их. Такое многократно повторяющееся последовательное уплотнение и разрыхление смеси и непрерывное ее перемещение внутри объема чаши и является причиной возникновения эффекта перетирания смеси. Зерна, скользящие и вращающиеся в элементарных слоях, равномерно покрываются пленками связующих, что превращает отдельные разрозненные компоненты в формовочную смесь и придает ей необходимую прочность.

    Анализ  рабочего процесса смешивающих бегунов  с вертикальными катками показывает также, что при скольжении и буксовании отдельных точек гладкой цилиндрической поверхности катка относительно поверхности смеси касательные силы трения оказываются недостаточными для того, чтобы увлечь за собой частицы смеси, непосредственно находящиеся в зоне контакта катков со смесью. Это объясняется тем, что коэффициент трения поверхности катка по смеси меньше, чем коэффициент внутреннего трения смеси. Поэтому скольжение гладких катков относительно слоев смеси, по которой эти катки катятся, обусловленное кинематикой их движения, вопреки мнению некоторых авторов, не может вызвать эффект перетирания смеси. По прошествии технологически необходимого времени, после того, как будет достигнута требуемая равномерность распределения компонентов по объему смеси и смесь приобретет необходимую однородность и заданные свойства  (прочность,  влажность,  газопроницаемость и др.),  открывается 
 
 
 

свойства  (прочность,   влажность,  газопроницаемость  и др.),  открывается разгрузочное   окно,   и   приготовленный   замес   смеси   из   чаши   бегунов выгружается, после чего процесс смесеприготовления повторяется. Технические характеристики:

• Номинальный объём замеса в чаше, м 3
• Производительность, м³/ч 70
• Время цикла, мин 2,5
• Внутренний диаметр чаши, мм 2800
• Высота чаши, мм 1200
• Диаметр катка, мм 865
• Ширина катка, мм 325
• Мощность электродвигателя привода бегунов, кВт 160
• Скорость вращения ротора, об/мин 47
• Напряжение в сети, В 380
• Количество отсасываемого воздуха, м /ч 6000
• Давление сжатого воздуха не менее, МПа 0,5
• Давление воды в магистрали, МПа 0,2
• Режимы управления работой машины Пооперационный

Полуавтоматический  Автоматический

• Смазка машины децентрализовано
• Габариты бегунов, мм: длина 5220

ширина 4880

высота 5000

• Масса бегунов, кг 20000

    Количество  обслуживающего персонала, чел 
 
 
 
 
 

3. Анализ модернизированного  узла

 
     Смесители с  одним вертикальным катком и центробежным рыхлителем (рис. 3.1) представляют собой обычные бегуны, но с одним катком 1. Вместо второго катка установлена ворошилка или рыхлитель. Рыхлитель состоит из вертикального вала 2 с диском 3 и семью вертикально закрепленными на нем штырями 4.

Вращение  рыхлителя осуществляется за счёт ременной передачи (см. чертеж КП ОЛЦ 05.11.00.03) от центрального вала. Под действием этих сил рыхлитель будет вращаться в сторону противоположную движению катка и интенсивно взрыхлять смесь. К тому же не зависимо от равномерности 
 

распределения смеси по поверхности днища. Это позволит четко контролировать процесс смесеприготовления, и качество смеси будет постоянным в разных замесах (при прочих равных условиях). При вращении траверсы штыри рыхлителя получают сложное движение вследствие совмещения двух движений: вращения вала бегунов и вала рыхлителя. Таким образом, в результате интенсивного ворошения смеси, выравнивается содержание компонентов смеси по всему ее объему, что повышает литейно-гидравлические свойства смеси, а также благодаря давлению со стороны катка получается смесь повышенного качество при значительной производительности бегунов (до 100 м /ч).

    Ещё одним достоинством такого смесителя  являются обрезиненные катки. Анализ рабочего процесса модернизированных смешивающих  бегунов с ВВК показывает также, что при скольжении и буксовании отдельных точек обрезиненной цилиндрической поверхности катка относительно поверхности смеси касательные силы трения оказываются большими, чем силы трения по гладкой поверхности, вследствие чего каток увлекает за собой частицы смеси, непосредственно находящиеся в зоне контакта катков со смесью. Это объясняется тем, что коэффициент трения резиновой поверхности катка по смеси больше, чем коэффициент внутреннего трения смеси. Поэтому скольжение обрезиненных катков относительно слоев смеси, по которой эти катки катятся, обусловленное кинематикой их движения, вызывает эффект перетирания смеси.

    Если  рассмотреть схему бегунов с  точки зрения нагружения различных  элементов и теории прочности, то можно выделить следующие наиболее нагруженные элементы: вал ворошилки, шпонка, соединяющая вал и диск ворошилки, а также валы и шпонки привода бегунов, траверса. 
 
 
 
 
 
 

. Расчёт  элементов, узлов и агрегатов

 
    Исходя  из конструктивной схемы (см. рис. 3.1) наиболее нагруженными элементами являются валы приводного редуктора, шпонки креплений зубчатых колёс, иглы рыхлителя. Поэтому для обеспечения надёжности работы бегунов следует провести расчёт на прочность соответствующих элементов. Кроме того, необходимо рассчитать ременной привод рыхлителя и выбрать подходящий ремень с необходимым запасом прочности.

    Расчет  вала редуктора необходимо выполнить  в связи с тем, что нагрузка на привод изменилась. Это объясняется  тем, что сопротивление двух катков отличается от сопротивления катка и рыхлителя.

Рис. 4 Л Эпюры  распределения нагрузок на промежуточном  валу

4.1 Прочностной расчёт  промежуточного вала  редуктора.

    где: К_т —коэффициент концентрации напряжений, для стали 40Х К_т=1,75[4,табл.13.2]

         е* - масштабный фактор для вала диаметром 80 ММ Е^ — 3,63 [4, табл. 13.3];

    т_т = 38 — средние напряжения циклов нормальных напряженнй[4, табл. 13.3];

Общий коэффициент  запаса прочности:

_л=   ^п*'^пт   ₌     5,56-7,83     ₌₁₅₃

4п1+п1     д/5,56²+7,83²       " ⁽⁴'²⁹⁾

    Промежуточный вал, является одним из самых нагруженных в приводе, именно поэтому и был приведён расчёт этого вала.

    Проведённый расчёт показал, что проведённая  модернизация ни как не скажется на нагрузках приложенных к валам. Из расчёта видно, что нормальные и касательные напряжения, которые составили соответственно 156,97 МПа и 77,3 МПа, не превышают допускаемых и следовательно в процессе эксплуатации разрушение этого вала не произойдёт. Для обеспечения прочности — коэффициент запаса должен быть в пределах 1,5 — 2,5, а для жёсткости 2,5 - 4. Из приведённых выше расчётов видно, что в механизме обеспечивается и прочность, и жёсткость.

 
4.2 Расчёт иглы рыхлителя

    Анализируя  рыхлитель можно предположить, что  он будет вращаться из-за действия на него силы сопротивления смеси. Вращение будет обусловлено разностью радиусов на которых отстоят иглы. Для расчёта на прочность необходимо сделать определённые приближения: допустим что уровень смеси в бегунах одинаков на всём протяжении от центра к периферии и примем что иглы рыхлителя имеют форму цилиндра. 
 
 
 

      М       916000 ⁰⁼ЩГ⁼ 1 227-Ю^{4 = ?4}"^{64 М7а <} ^^=270МПа &> ^с" ²⁶⁶^      (⁴³⁵>

    где ^х - осевой момент сопротивления, определяем по выражению [4, с. 295]:

ж-ё^г     ж-50³    3.14125000 _{4      3} „ ^,

 
 
Коэффициент запаса прочности при изгибе [4, с. 295]:

«_ст = ———^  у— = 4.785 ₉ (4.37)

-"-с  + Ч_а-а_т    — -74.639 + 0,25-0

е_а *     ^т      2.5

    где: К₀ -коэффициент концентрации напряжений, для стали 5 1^=1,75[4, табл. 13.2]

          е^ - масштабный фактор для вала диаметром 35 мм е₀ = 2,73 [4, табл. 13.3];

    о_т — 0 - средние напряжения циклов нормальных напряжений [4, табл. 13.3];

    Если  принять во внимание возможность  вращения рыхлителя, то необходимо определить момент который препятствует вращению, т.е. тот же момент от сопротивления смеси только направленный в противоположную сторону.

    Т.к. иглы рыхлителя расположены симметрично  только относительно одной оси. то в  пооцессе работы наступает момент, когда на дальней стороне рыхлителя  остаётся три иглы, а на ближней — четыре (см. рис. 4.3). Это самый неблагоприятный момент для вращения, для него и проведём расчёт.

     Диск, на котором  установлены иглы, можно привести к балке с центральной опорой (см. рис. 4.3)

    Крутящие  моменты приложенные к рыхлителю  должны удовлетворять условию:

М\ + 2М2 > 2М4 + 2М6 (4.38) 
 
 
 
 

Рис. 4.3 Схема  действия моментов на рыхлителе

Решаем это  неравенство

М1 + 2М2 = 2М4+2М6 (4.39)

Подставляем в это выражение значения моментов:

Ж = Р-г_х =2176-252.5 = 549.4 кН-мм

М2^Р-2_г =2176460 = 345.6 кЫ-мм

М4 = ^-2₃ =2176-49 = 106.6 кН-мм

Мв^Р-2, =2176-234 = 509.2 кН-мм

549.4+2 - 345.6 = 2-106.6+2 - 509.2

1240.6 > 1231.6

    Из  последнего выражения следует, что  даже в таком положении сумма  моментов, которая вращает рыхлитель  по часовой стрелке, больше, чем сумма моментов, вращающих против часовой стрелки. Таким образом, рыхлитель будет непрерывно вращаться по часовой стрелке. Это вращение может прекратиться в том случае если моменты вращающие рыхлитель против часовой стрелки возрастут. Такое произойдёт если количество смеси со стороны меньшего радиуса окажется больше чем с противоположного.

    В этом случае рыхлитель может либо вращаться против часовой стрелки, либо просто стоять.

 
43 Расчёт вала катка

    В процессе работы кроме рыхлителя  высокие нагрузки приходятся на вал катка. Для безупречной работы вала необходимо обеспечить его прочность и жёсткость. Анализируя кинематическую схему крепления вала его можно представить в виде балки с защемлённым концом (см. рис. 4.4). Сила действующая на каток

^ = #.^ = 25320-0.558 = 14128.6 н (4.40)

8 — площадь  катка взаимодействующая со смесью

Р — сопротивление  смеси было определена выше (4.30)

5 = 78-325-25320мм²

Изгибающий момент действующий на валу равен:

 
М = ^-2 = 14128.6-181.5 = 2564.3 кН-мм (4.41) 
 

    где: К₀ -коэффициент концентрации напряжений, для стали 45 К<г=1,7 [4, табл. 13.2]

          е^ - масштабный фактор для вала диаметром 80 мм е_е = 2,73 [4, табл. 13.3];

    ®т  ⁼ 0 - средние напряжения циклов нормальных напряжений [4, табл. 13.3];

                                                                                 Как   и   промежуточный,   вал   катка   обладает   достаточно   большим

коэффициентом запаса прочности. Для обеспечения  прочности необходим

коэффициент   запаса    1,5-2,5,   для   жёсткости   2,5-4.   Вал   катка   имеет

коэффициент    запаса    7,86    что    обеспечит    в    процессе    эксплуатации

бесперебойную   работу   бегунов.   Испытываемые   этим   валом   крутящие

нагрузки   настолько    не   велики   что    ими    пренебрегают.    Проведённая

модернизация  не оказала пагубного влияния  на работоспособность бегунов.

 
4А Расчет шпонок.

    Анализируя  конструктивную схему привода бегунов  необходимо отметить что, такой массивный  привод испытывает большие нагрузки поэтому необходимо уделить внимание креплению зубчатых колёс на валах  редуктора т.к. именно эти детали испытывают наибольшее нагружение при работе.

    Произведём  расчёт шпонки установленной на тихоходном валу под зубчатым колесом, т.к. именно этот вал передаёт наибольший крутящий момент: при расчёте шпонок принимают, что нагрузка со стороны втулки на шпонку равномерно распределена как по высоте так и по длине шпонки.

Из условия  прочности по смятию [4, с. 63]

^асы'_ж.1   .*.(*-,) ^М™ ⁽⁴-⁴⁵⁾

Р

где 2-числошпонокг=1; а_см - напряжение смятия; 

Условие прочности  по нормальным напряжениям выполняется, Условие прочности из расчёта на срез шпонки [4, с. 64]

 
       2-М       2-764.340³     _с^ 
ср    х-Ъ-1-й    1-20-80-170 мца.Щср

Условие прочности  по касательным напряжениям выполняется.

    Проведённый прочностной расчёт шпонок показал, что ни нормальные, ни касательные напряжения не превышают допустимых. Шпонка установленная на тихоходном валу под зубчатым колесом обеспечивает необходимую прочность на смятие и на срез, а шпонка установленная на том же валу под траверсой оказалась слишком велика для передаваемых нагрузок. Поэтому был проведён уточнённый расчёт и выбрана шпонка меньших размеров. Выбранная мною шпонка хоть и меньше, но полностью исключает возможность выхода из строя бегунов вследствие смятия или среза шпонки.