Проектирование ленточного элеватора

Задание на курсовой проект 

Тема  проекта: проектирование ленточного элеватора ЭЛ-28. 

Параметры для расчета:

1. Расчет основных параметров и режимов 

      Элеваторы предназначены для транспортировки  сыпучих и штучных грузов в  вертикальном или близком к вертикальному  направлениям. Транспортируемый груз размещается в грузонесущих элементах, закрепленных на тяговом органе. Бесконечный тяговый орган охватывает ведущий и натяжной барабаны (звездочки). Верхний барабан – приводной, нижний – натяжной. Элеватор загружается в нижней части (башмаке), а разгружается в верхней (головке).

      По  типу грузонесущего органа элеваторы могут быть ковшевые и сомкнутые, по виду тягового органа – ленточный и цепные, по способу разгрузки – центробежные, гравитационные и смешанные, по расположению – вертикальные и наклонные, по способу монтажа – стационарные, неподвижные и встроенные.

      Заданная  скорость движения ленты достаточно высока, и при этом достаточно большая производительность. Значит целесообразно выбрать центробежную разгрузку и, следовательно, расставленные ковши. Пусть загрузка будет производится зачерпыванием, ковши можно попробовать скругленные мелкие с коэффициентом заполнения ψ = 0.8. Так как вид груза не известен, пусть загрузка будет зачерпыванием. Режим работы пусть будет средним (ПВ 25%). 

      Диаметры  барабанов. Диаметры приводного и натяжного барабанов одинаковы и для центробежной разгрузки определяются по формуле:

             м

      По стандартному ряду значений пусть м.

      Полюсное  расстояние при этом будет равно:

             м 

      Ковши. Параметры ковша выбираются из условия:

             ,

            где: V_k – объем ковша;

                  t_k – расстояние между ковшами на ленте.

      Таким образом:

             л/м

      При выборе ковша скругленного мелкого  М с вместимостью V_k = 11.5 литров шаг ковшей получается равным м. Прочие параметры ковша: ширина B_k = 0.65 м, вылет l_k = 0.225 м, высота h_k = 0.265 м, радиус закругления r_k = 0.085 м. Высота оказалась меньше шага ковшей, значит ковш подходит.

      Вес ковша определяется по приблизительному соотношению:

             кг 

      Лента и линейные массы. Ширина ленты минимум на 50 мм больше ширины ковша, т.е.:

             м

      Ближайшее большее стандартное значение ширины ленты B_л = 0.8 м.

      По  ГОСТ 20-85 пусть будет лента БКНЛ-150. Минимальное число прокладок выбирается из условия:

      Но  для прочности крепления ковшей предварительно число тканевых прокладок пусть будет равно i = 5. По таблице [1, табл. 2.15] вес этой ленты при таком количестве прокладок равен 11.1 кг/м². Вес погонного метра будет равен кг/м. А толщина ее равна мм.

      Вес погонного метра ленты вместе с ковшами равен:

             кг/м

      Линейная  масса груза:

             кг/м 

      Сопротивления движению тягового органа. Сопротивление при загрузке элеватора зависит от типа груза и способа загрузки, что учитывается коэффициентом загрузки. Так как не задан вид груза, пусть k_загр = 2.3, что соответствует грузу со средним размером кусков. И определяется это сопротивление по формуле:

             Н

      Сопротивление движению рабочей ветви элеватора:

             Н

      Сопротивление движению порожней ветви элеватора:

             Н

      Тяговое усилие на приводном барабане с учетом потерь в опорах барабана k = 1.05:

             Н 

      Минимальная величина натяжения  тягового элемента. Она определяется по формуле [1, стр. 215], при допустимом угле поворота ковша Θ = 5° без просыпки груза:

             Н

      Однако, исходя из условий работы ленточных элеваторов, минимальное натяжение должно быть в пределах 1000...1500Н. 

      Натяжение ленты в характерных  точках траектории. (рис. 1). На диаграмме в силу большого перепада значений, размеры натяжений показаны не в масштабе, а утрированно, только для демонстрации разницы в их величине.

рис. 1

      В точке 2 – минимальное натяжение, равное Н.

      Тогда натяжение в точке 1 будет равно:

             Н

      Натяжение в точке 3 будет равно:

             Н

      В точке 4 – точке набегания ленты  на приводной барабан, натяжение  будет равно:

             Н

      Максимальным  натяжение будет в точке 5, и равно оно:

             Н

      Уточненное  число прокладок в ленте, учитывая коэффициент запаса прочности m = 12 и разрывную прочность одного миллиметра ширины прокладки для ленты выбранного типа БКНЛ-150 [1, табл. 3] Н/мм:

             шт.

      Принятое  ранее количество прокладок i = 5 целесообразно не менять. 

      Барабан. Диаметр барабана определен ранее. По таблице [1, табл. 2.24] длина обечайки барабана при ширине ленты 0.8 м равна 0.95 м. Проверяем диаметр барабана по допускаемому давлению между лентой и барабаном [p]=40...60Н/см²:

      По  давлению барабан подходит. 

      Выбор электродвигателя. Расчетная мощность электродвигателя, предварительно принимая КПД привода равным , равна:

             кВт

      С учетом коэффициента запаса мощности K_з = 1.2, необходимая мощность электродвигателя будет равна:

             кВт

      Для обеспечения возможности пуска  загруженного элеватора рекомендуется  выбирать электродвигатель с повышенным скольжением серии 4А. Из таблицы  [1, табл. 17] подходит электродвигатель 4АС250S6У3 с параметрами: номинальная мощность при тяжелом режиме работы (ПВ 40%) N = 40 кВт, скольжение – 5%, частота вращения n_дв = 950 мин^-1, КПД – 89%, М_п/М_н = 1.9, M_max/M_н = 2.1, маховой момент инерции ротора GD² = 4.62 кг×м². 

      Редуктор. Максимальный момент, нагружающий привод, равен:

             Н×м

      Число оборотов ведущего барабана равно:

             мин^-1

      Расчетное передаточное число редуктора равно:

      Из  таблицы [1, табл. 27] наиболее подходящим будет редуктор 1Ц2У-200 с передаточным числом u_р = 16, максимальным моментом при среднем режиме работы (ПВ 25%) M_max = 4000 Н×м, КПД .

      Уточненная  скорость движения ленты составит:

             м/с, что всего на 3% меньше заданной.

      Полюсное  расстояние при этом станет равно:

             м

      Диаметры  барабанов не меняются. 

      Тормоз и муфты. Расчетный тормозной момент на валу приводного барабана равен:

             Н×м

      Если  тормоз установить на быстроходном валу редуктора, то расчетный тормозной момент с учетом коэффициента запаса торможения k_T = 1.5 будет равен:

             Н×м

      По  таблице [1, табл. 49] подходит колодочный тормоз нормального замкнутого типа с электромагнитным управлением ТКП-300 с тормозным моментом при среднем режиме работы (ПВ 25%) M_T = 500 Н×м. К тормозу по размеру подходит муфта МУВП с тормозным шкивом диаметром 300 мм и расчетным моментом инерции 0.707 кг×м².

      Между редуктором и приводным валом  можно применить цепную однорядную муфту (ГОСТ 20742-75), передающую момент 4 кН×м. 

      Режим работы при пуске. Момент инерции всех движущихся масс элеватора, приведенный к валу двигателя, определяется по формуле:

             ,

где: d – коэффициент, учитывающий момент инерции деталей привода, вращающихся медленнее, чем вал электродвигателя: d = 1.15;

J_р.м. – момент инерции ротора электродвигателя и муфты, равный сумме моментов инерции ротора электродвигателя (J_р) и муфты (J_м);

m_d – масса поступательно движущихся частей элеватора и груза.

      Момент  инерции ротора электродвигателя определяется исходя из справочного махового момента  электродвигателя:

             кг×м²

      Итого:

             кг×м²

      Масса поступательно движущихся частей элеватора  и груза, при коэффициенте, учитывающем упругое удлинение ленты, в результате чего не все массы элеватора приходят в движение одновременно k_y = 0.7, определяется по формуле:

             кг

      Таким образом, момент инерции всех движущихся масс элеватора, приведенный к валу двигателя, равен:

             кг×м²

      Статический момент при пуске, приведенный к  валу двигателя:

             Н×м

      Средний пусковой момент равен:

             Н×м

      Продолжительность пуска элеватора, зная угловую скорость электродвигателя, равную:

             с^-1

      можно определить по формуле:

             с

      Динамическое  максимальное усилие в ленте при пуске:

            где с^-1

      Таким образом:

             Н

      Максимальное  усилие в ленте при пуске равно:

             Н

      При этом коэффициент перегрузки ленты  равен:

      Момент  на быстроходном валу редуктора определяется по формуле:

             Н×м

      Коэффициент перегрузки равен:

      Сопротивление передвижению при пуске (при отсутствии пробуксовки):

             Н

      В период пуска элеватора натяжение  ленты в сбегающей ветви:

            где: f – коэффициент трения ленты по стальному барабану: f = 0.265;

                  a – угол обхвата лентой барабана: a = p.

      Таким образом:

             Н

      Условием  отсутствия пробуксовки будет выполнение неравенства:

             :  – условие соблюдается. 

      Натяжное  устройство. Ход натяжного устройства при относительном удлинении ленты типа БКНЛ-150 2% равно:

             м

      Усилие  натяжения, прикладываемое к натяжному  барабану:

             Н 

      Предохранительные ловители ковшей. Для защиты элеватора от поломок в случае падения ленты с ковшами и грузом при аварийном обрыве ленты используются канаты небольшого диаметра, без натяжения соединяющие ковши по боковым сторонам. 

      Несущие конструкции и  корпус. Элеватор состоит из башмака, головки и наборных секций контуров (по 4 метра). Все они сварены из уголка 45х45 и облицованы стальным листом. По бокам есть люки для осмотра, очистки и технического обслуживания элеватора.

      В башмаке расположено натяжное устройство, натяжной барабан и загрузочное устройство. В головке – приводной барабан и разгрузочное устройство. Снаружи головки закреплены подшипниковые опоры и роликовый останов.

      Вдоль движения ленты для уменьшения ее колебаний в горизонтальной плоскости предусмотрены специальные фиксаторы. 
 
 

2. Расчет узлов и механизмов 

      Контур  головки элеватора. Для получения контура головки элеватора необходимо построить траектории движения частиц, очертание головки будет построено так, чтобы угол между касательными в точках пересечения траектории с корпусом угол составлял 14...18°, что способствует лучшему отражению частиц груза от стенки кожуха головки.

      При центробежной разгрузке на частицы  груза вылетают из ковша (с его края) со скоростью, которую можно разложить на три составляющие (рис. 2): линейную v_l, направленную по касательной к окружности поворота, скорости падения под действием силы тяжести v_g, и скорости, вызванной движением частицы груза внутри ковша под действием центробежной силы.

рис. 2 

      Линейная  скорость задана, путь, пройденный частицей в направлении этой скорости за время t, будет равен vt. Под действием силы тяжести частица движется с ускорением свободного падения g, и путь частицы (всегда вниз) будет равен gt²/2.

      Скорость  частицы в направлении действия центробежной силы определяется следующим образом: пока частица не покинула ковш и перемещается к его краю, на нее действует центростремительное ускорение v²/r. Средний путь, пройденный частицей, равен половине вылета ковша, т.е. l/2. Путем несложных преобразований, получаем:

            время центробежного  движения:

            скорость в конце  этого движения:

      А путь, проходимый частицей груза после  покидания ковша под действием  этой скорости в радиальном направлении, равен:

      Векторно  сложив все 3 составляющие перемещений получаются следующие траектории движения частиц груза (рис. 3). Там же показан возможный контур головки элеватора.

рис. 3 

      Барабаны: приводной и натяжной. Конструкция барабана приведена на рис. 4.

Рис. 4 

      Диаметр D_б = 0.5 м и ширина L = 0.95 м барабана уже определены ранее. Осталось определить толщину стенок барабана:

             мм

      И расстояние между втулками:

             м

      Втулки  приводного барабана с помощью шпонок фиксируются на приводном валу. А внутри втулок натяжного барабана крепятся подшипники. 

      Вал ведущего барабана: Конструктивно принимаемые размеры вала с эпюрами изгибающих и крутящих моментов представлены на (рис. 5). Расстояния до опор (подшипников) взяты с запасом, учитывая размеры натяжного устройства. 

рис. 5 

      Предполагается, что вращение передается на правую сторону. В силу симметричности эскиза не рассматривается случай срабатывания останова – при этом изгибающий момент не изменится, а крутящий симметрично переместится в левую сторону.

      Осевая  нагрузка отсутствует. Сила, действующая  на вал, равна:

             Н

      Реакции опор (подшипники) равны:

             Н

      Максимальный  изгибающий момент равен:

             Н×м

      Крутящий  момент равен определенному ранее  максимальному крутящему моменту:

             Н×м

      Пусть материал вала – сталь 40Х улучшенная: Н/мм² [3, табл. 3.3]. Пределы выносливости: Н/мм², Н/мм².

      Ориентировочное значение минимального диаметра из расчета  на чистое кручение по допускаемому напряжению [3, 6.16], при пониженном допускаемом напряжении на кручение Н/мм²:

             мм

      Из  ряда по ГОСТ 6636-69 ближайшее большее значение – 95 мм. Тогда диаметр под подшипники d_п = 100 мм, под барабаном d_б = 120 мм.

      Уточненный  расчет необходимо выполнить на двух опасных сечениях: а) начало барабана (максимальный изгибающий момент при максимальном крутящем и концентрация напряжений – шпоночная канавка), и б) крайняя правая точка – присоединение к муфте (минимальный диаметр и тоже шпоночная канавка, но нет изгибающего момента). 

      а) В первом случае момент сопротивления сечения равен (с учетом шпоночной канавки: b = 32 мм, c = 11 мм):

             мм³

      Амплитуда нормальных напряжений равна:

             Н/мм²

      Значения  коэффициентов для расчета коэффициента запаса прочности: эффективный коэффициент концентрации напряжений [3, табл. 6.5], масштабный фактор напряжений [3, табл. 6.8], коэффициент шероховатости .

      Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям:

      Полярный момент сопротивления

             мм³

      Амплитуда и среднее напряжение цикла касательных напряжений:

             Н/мм²

      Значения  коэффициентов для расчета коэффициента запаса прочности: [3, табл. 6.5], [3, табл. 6.8], .

      Коэффициент запаса прочности по касательным  напряжениям:

      Общий коэффициент запаса прочности:

              – достаточный запас. 

      б) Аналогично вышеприведенному расчету (но только крутящий момент и с учетом шпоночной канавки: b = 28 мм, c = 10 мм):

      По  касательным напряжениям:

             мм³

             Н/мм²

      Коэффициенты: [3, табл. 6.5], [3, табл. 6.8], .

      Выбранные диаметры вала подходят по расчету  на прочность. 

      Ось натяжного барабана. На ось действует только изгибающий момент, крутящего момента нет, как и осевых усилий.

      Диаметр оси определяется по приблизительному соотношению от диаметра приводного вала: мм. По ГОСТ 6636-69 пусть этот диаметр равен 55 мм. А диаметр под подшипники (внутри барабана) пусть равен dп = 60 мм.

      Материал  оси пусть тоже будет как и  у приводного вала – сталь 40Х.

      На  рис. 6 представлен эскиз оси с  эпюрой изгибающих моментов. 

рис. 6 

      Сила, действующая на ось, равна:

             Н

      Реакции опор равны:

             Н

  Максимальный изгибающий момент равен:

             Н×м

      Аналогично двум проведенным выше расчетам:

             мм³

      Амплитуда нормальных напряжений равна:

             Н/мм²

      Значения  коэффициентов: [3, табл. 6.7], .

      Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям:

      Ось также подходит по прочности. 

      Шпонки. Необходимо рассчитать шпонки, передающие момент а) с муфты на приводной вал; и б) с вала на приводной барабан.

      Шпонки  выполняются из нормализованной  конструкционной стали с допускаемым  напряжением смятия Н/мм².

      а) Момент, передаваемый шпонкой M = 3998 Н, диаметр вала d = 95 мм, размеры шпонки: b = 28 мм, h = 16 мм, t₁ = 10 мм, длина (стандартное значение с учетом длины ступицы муфты) l = 160 мм.

      Проверка  на смятие производится по формуле:

      б) Момент, передаваемый шпонкой (предполагается, что он передается только одной шпонкой) M = 3998 Н, диаметр вала d = 120 мм, размеры шпонки: b = 32 мм, h = 18 мм, t₁ = 11 мм, длина l = 180 мм.

      Проверка  на смятие:

      Подшипники. Осевые нагрузки отсутствуют. Но на ведущем вале есть вероятность перекоса оси. Поэтому рекомендуется здесь в качестве подшипников использовать самоустанавливающиеся радиальные сферические двухрядные шарикоподшипники. А на оси можно использовать радиальные роликовые подшипники.

      Число оборотов барабанов, с учетом реальной линейной скорости, равно:

             мин^-1

      Это значение больше 1 мин^-1 – следовательно основной характеристикой будет служить динамическая грузоподъемность.

      Так как присутствует только радиальная нагрузка, эквивалентная нагрузка будет  определяться по формуле: