Расчет шнекового рабочего органа

Содержание

Введение…………………………………………………………………….5

Состояние вопроса………………………………………………………….7

Исходные данные ………………………………………………………….13

Расчет параметров шнекового  рабочего органа ………………………...14

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

 

 Разраб.

 

 Провер.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Расчет шнекового

дозатора

Лит.

Листов

 

Расчет привода шнекового  рабочего органа……………………………..20

Кинематическая схема……………………………………………………..25

Заключение…………………………………………………………………26

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

 

 Разраб.

 

 Провер.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Расчет шнекового

дозатора

Лит.

Листов

 

В данном курсовом проекте выполнен расчёт основных параметров шнекового дозатора, а именно: выбран оптимальный диаметр, шаг винта  и число оборотов для заданной производительности. Также выполнен подбор подшипников, муфт, редуктора  и электродвигателя.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

 

 Разраб.

 

 Провер.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Расчет шнекового

дозатора

Лит.

Листов

 

Введение

Шнек, или винт – это  элемент машины, с помощью которого могут транспортироваться жидкие, высоковязкие и твердые вещества.

При транспортировке подаваемый материал может подвергаться дополнительным воздействиям,  зависящим от конструктивного  исполнения шнеков, корпусов и типа привода машин.

В последние 100 лет разработаны  шнековые машины различных типов (в  том числе со специальными конструктивными  отличиями) для проведения процессов совмещения материалов, разделения сред и взаимодействия  веществ.

Применение шнековых машин  переросло первоначальное и широко известное их использование для  подачи сыпучих материалов, экструзии пластических масс и каучуков и охватывает в настоящее время почти все технологические процессы с участием сыпучих веществ, пластических и упруговязких сред. Особое значение при этом имеют технологические процессы смешения, гомогенизации, отжима, фильтрования, сушки, выпаривания, а также, химические реакционные процессы в вязко-пластичных фазах.

При современном уровне развития техники основные области применения шнековых машин могут быть объединены в шесть технологических групп:

1) транспортировка (подача) и дозирование; 

2) экструзия; 

3) процессы совмещения  веществ (материалов);

4) процессы разделения веществ (материалов);

5) процессы взаимодействия (химического  превращения)   веществ;  

6) теплообменные процессы.

 

 

Лист

6

 

Важной характеристикой  винта является его шаг – расстояние между вершинами витков в горизонтальной проекции.

Шнековые дозирующие машины применяют для подачи зернистых , мелкокусковых и порошкообразных  продуктов в тех случаях , когда  дополнительное измельчение шнеком отдельных частиц подаваемого продукта не имеет значения. Производительность регулируют, изменяя скорость вращения винта шнека для этого в  приводном устройстве предусмотрен вариатор. Шнековые дозирующие машины можно устанавливать горизонтально  и наклонно.

Шнековый дозатор:

1 - приемное устройство;

2 - корпус шнека;

З - винт;

4 - вал.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

 

 Разраб.

 

 Провер.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Расчет шнекового

дозатора

Лит.

Листов

 

Состояние вопроса

Для автоматического отмеривания (дозирования) заданной массы или  объема твердых сыпучих, а также  вязко-пластичных материалов, в том  числе и теста применяются  различные виды дозаторов.

Упрощенная классификация  дозаторов по структуре рабочего цикла и конструктивным признакам  выглядит так:

Дозаторы обеспечивают выдачу дозы одного или нескольких продуктов (одно- и многокомпонентные дозаторы) одному или разным потребителям (одно- и многоканальные дозаторы); изменяют количество компонентов в заданном соотношении с изменяющимся количеством  других дозируемых компонентов (дозаторы соотношения); дозируют вещества в заданной временной или логической последовательности (программные дозаторы).

Блок управления каждого  дозаторы - автоматический регулятор. Наибольшая эффективность использования  дозаторов достигается, если регулятором  или его основой служат ЭВМ, позволяющие  компенсировать влияние внешних  возмущающих воздействий 

 

 

Лист

8

 

(например, параметров технологического  режима процесса), вести дозирование  по заданной программе, удобно  представлять информацию оператору  и передавать результаты дозирования  (например, общий объем прошедшего  продукта) на дозаторы уровня  управления.

Рассмотрим некоторые  виды дозаторов.

Объемные дозаторы. Применяют  для дозирования газов, жидкостей, паст, реже твердых сыпучих материалов. Дозы от долей см³ до сотен (тысяч  для газов) м³, производительность от менее чем см³/ч до тысяч м³/ч (для газов десятков тысяч), погрешность  от 0,5 до 10-20%. Эти дозаторы просты по конструкции, достаточно надежны. Недостатки: зависимость объема дозы от температуры  и давления (особенно для газов), значительная погрешность при дозировании  пенящихся материалов.

Дозаторы дискретного  действия в простейшем случае состоят  из одной калиброванной емкости, снабженной датчиком уровня, двух клапанов на входе в емкость и выходе из нее (для повышения точности и  производительности дозаторы могут  иметь несколько разных по объему емкостей) и блока управления - двухпозиционного автоматического регулятора. Погрешность  до 1,5%. Наименьшие погрешность и  габариты имеют дозаторы дискретного  действия (рис.1) на основе объемных счетчиков  продукта (роторы - лопастные, с овальными  шестернями, винтовые). Угол поворота ротора, соответствующий объему прошедшего продукта, преобразуется в сигнал, поступающий в блок управления, который  вычисляет общий объем прошедшего продукта, сравнивает его с заданием и формирует сигнал на прекращение  подачи продукта.

Объемный дозатор дискретного  действия на основе счетчика жидкости работает следующим образом (рисунок 1). Для повышения точности дозирования  при достижении 90-95% дозы вентиль 4 закрывают, а расход продукта уменьшают в 4-5 раз с помощью вентиля 5. Для  стабилизации или программного изменения  расхода блок управления определяет и устанавливает требуемый расход посредством вентиля 6. Дозы от 1 дм³ до десятков м³, погрешность 0,5-1,5%.

Лист

9

 

Рисунок 1. Объемный дозатор  дискретного действия на основе счетчика жидкости: 1- счетчик; 2 -датчик; 3- блок управления; 4-6- вентили.

Для надежной работы таких  дозаторов дозируемую среду тщательно  очищают от твердых и газообразных примесей, не допускают кристаллизацию или полимеризацию продуктов  в полостях счетчиков, для вращения ротора создают достаточный перепад  давлений между входом и выходом  дозатора.

При дозировании в емкости (реакторы), работающие под давлением, равным или превышающем давление среды на входе в дозаторы, а  также для дозирования вязких и пастообразных продуктов применяют  дозаторы на основе насосов вытеснения (поршневых, плунжерных, шестеренчатых, диафрагменных). При равенстве задания  и фактической дозы блок управления отключает насос, перекрывая поток  продукта, показывает и регистрирует величину дозы. Диапазон последней  от 1 см³ до сотен дм³, минимальная  погрешность 1-3%, давление продукта на выходе дозатора до сотен кПа.

В дозаторах малой производительности (единицы см³/ч) продукт вытесняется  с помощью газа или инертной жидкости (рисунок 2). При открытом вентиле 4 и  закрытом вентиле 5 в случае опускания  сосуда 2 емкость 1 заполняется дозируемым продуктом. Для выдачи дозы закрывается  вентиль 4 и открывается вентиль 5. При этом сосуд 2 поднимается, что  обеспечивает вытеснение части продукта из емкости 1.

Лист

10

 

Рисунок 2. Объемный микродозатор на основе вытеснения дозы: 1-емкость; 2- напорный сосуд; 3 -привод; 4,5 -вентили; 6- блок управления.

Дозаторы непрерывного действия состоят из расходомера (например, индукционного), регулятора и запорного органа (вентиль, задвижка), блока управления и информации. Заданный расход обеспечивается благодаря  изменению гидравлического сопротивления  регулятора по сигналу от блока управления, в котором определяется также  общий объем прошедшего продукта. Запорный орган прекращает его подачу при достижении заданного объема. Дозы от 1 см³ до тысяч м³, точность поддержания расхода в пределах от 1,5- до 2-кратной точности расходомера. Наряду с этими дозаторами на основе расходомеров используют дозаторы в  виде емкости с дозируемым продуктом, на выходе которой установлено постоянное гидравлическое сопротивление (диафрагма, спираль, лента, капилляр и т. п.). Стабильность расхода достигается поддержанием уровня или соответствующего давления в емкости.

Весовые дозаторы. Применяют  для дозирования твердых сыпучих  материалов, реже - жидкостей. Дозы от нескольких грамм до сотен килограмм, производительность от сотен до десятков т/ч, погрешность  дозирования от 0,1 до 0,5%. Из дозаторов  дискретного действия наиболее распространены в промышленности такие, в которых  загружаемая емкость установлена  на силоизмерительных преобразователях - тензометрических или платформенных  весах. Сигнал от преобразователя 2 (рисунок 3) поступает в блок управления 3, с помощью которого автоматически  взвешивается емкость 1 и формируется  команда для управления устройствами загрузки 4 и выгрузки 5. В открытых емкостях с жидкостями массу продукта при дозировании определяют по пропорциональной ей высоте слоя жидкости. Достоинство таких дозаторов - компактность датчиков давления; недостаток - необходимость предварительной градуировки (определение зависимости гидростатического давления от веса продукта в емкости).

Лист

11

 

Рисунок 3. Весовой дозатор  дискретного действия: 1- емкость; 2 - силоизмерительный преобразователь; 3 - блок управления; 4, 5 - устройства загрузки и выгрузки.

В дозаторах непрерывного действия регулируется скорость потока материала или площадь поперечного  сечения его слоя. Схема одного из таких дозаторы представлена на рисунке 4, а. Дозируемый материал поступает  на силоизмерительный транспортер. Вес материала на ленте, пропорциональный производительности дозаторы, измеряется силоизмерительным преобразователем и сравнивается в регуляторе с  сигналом задания. В результате устройство 7 вырабатывает корректирующий сигнал, регулирующий высоту слоя материала  на ленте.

На рисунке 4, б показана схема дозатора с регулируемой скоростью потока материала. Дозируемый материал поступает на силоизмерительный транспортер через питатель. Сигналы задания и расхода подаются в регулятор, который вырабатывает корректирующий сигнал на привод питателя, увеличивая или уменьшая скорость потока материала. Регулирование потока материала можно осуществлять также изменением скорости движения самого весоизмерительного транспортера.

 

Лист

12

 

Рисунок 4. Весовые дозаторы непрерывного действия с регулированием высоты слоя материала на ленте (а) и  скорости потока материала (б): 1 - привод; 2 - заслонка; 3 - бункер; 4, 6 - силоизмерительные  транспортер и преобразователь; 5 - электродвигатель; 7 - регулятор; 8 - питатель.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

 

 Разраб.

 

 Провер.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Расчет шнекового

дозатора

Лит.

Листов

 

Исходные данные

Производительность: 750 кг/ч;

Рабочее давление: 0,06 МПа;

Наружный диаметр шнека: 0,12 м;

Число рабочих витков шнека: 3;

Общее число витков шнека: 6;

Коэффициент трения продукта: 0,45.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

 

 Разраб.

 

 Провер.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Расчет шнекового

дозатора

Лит.

Листов

 

 

Расчет параметров шнекового рабочего органа

1. Шаг шнека «Н» и диаметр вала «d» определяем из расчета наружного диаметра шнека

 

     H = k_*D ,     

H=0.75*0.12=0.09 м     

d = k₁*D     

d=0.3*0.12=0.036 м

где k=0,7-0,8 - коэффициент коррекции  шага шнека; к₁ = 0,25-0,4 - коэффициент коррекции диаметра вала.

По  расчетному значению диаметра вала шнека  в соответствии с ГОСТ 8734 выбираем бесшовную трубу из нержавеющей стали 20Х13 с наружным диаметром d = 36 мм и толщиной стенки Δ _т = 2,5 мм.

Угол  подъёма винтовой линии витка  шнека зависит от размера шага витка и величины диаметра.

2. Угол  подъема в зоне большого диаметра шнека α_D , рад

 

     α_D = arctg H/D, рад

α_D = arctg 0.09/3.14*0.12= arctg 0.238=0.233, рад

Угол  подъема у вала, рад 

= arctg H/d,  рад 

= arctg 0.09/3.14*0.036=  arctg0.796=0.672 рад 

Среднеарифметическое  значение угла наклона винтовой линии  _ср     

  _ср =  0.5(α_D +  )  , рад, градус.     

  _ср=0,5(0,23+0,67)=0,45 рад=25⁰

 

Лист

15

 

Определим коэффициент отставания транспортируемого (перемещаемого) шнеком продукта к₀     

К₀= 1 - (cos²   _ср - 0,5f sin 2   _ср ) 

К₀= 1 - (cos²   - 0,5*0.45 sin 50 ) =0.52

В качестве коэффициента трения f принимаем коэффициент внутреннего  трения продукта с учетом, что f = tg φ (φ - угол трения).

 

3. Предельный  диаметр вала шнека определим  из зависимости:

 

 =H/ tg φ  , м.  
 =0,09/0,45*3,14=0,013 м

Проводим  сравнение расчетного предельного  значения диаметра вала шнека и наружного диаметра выбранной ранее трубы d. Для обеспечения прочности шнека необходимо условие:     

d ≥ d_пр   
0,036 м ≥ 0,013 м

4. Определим наибольшее изгибающий момент в последнем  витке шнека по внутреннему контуру  «М», исходя из рабочего давления «Pmах», а также наружного и внутреннего диаметров шнека «D» и «d».

 

     М_u = *,Н*м/м  

М_u =  *  =

                            =270 *  = -88.2 Н*м/м

где а -отношение большого диаметра шнека к диаметру вала шнека;   
a = 0.12/0.036=3.33

5. Толщину витка шнека рассчитаем из условий  действующего изгибающего момента «М_и» и допускаемого напряжения материала витка при изгибе при условии, что

Лист

16

 

    δ= , мм 
δ=   = 1,9 мм

Принимаем толщину листа 2мм

Допускаемое напряжение при изгибе приравниваем допускаемому напряжению при растяжении, значение которого выбираем по справочным материалам.    

6. Для определения угловой частоты вращения шнека Q используем форму расчета производительности по конструктивным параметрам шнека:

Q =0.785(-)(H- δ)(1-)λωΨ,кг/с

Где λ - объемная масса продукта, кг/м³;

Ψ - коэффициент заполнения объема для сыпучих продуктов 0,7÷0,85; для вязких продуктов 0,85 ÷1,0.

Откуда

ω  = , мин^-1

       

7. Площадь внутренней цилиндрической поверхности  корпуса шнекового устройства по длине шага H определим из зависимости

 

 =  , м²  
 =3.14*0.12= 0.0316 м²

Площадь поверхности витка шнека «S_ш» по длине шага Н     

S_ш = (πDL –πdl + ln) ,м²

где L — длина винтовой линии шнека по большому диаметру, м;

l - длина винтовой линии шнека по диаметру вала, м     

L =м     

l = м

Лист

17

 

         L = =0.387 , м  

l =  =0.14 м

     S_ш = (3.14*0.12*0.387 –3.14*0.036*0.14 + ln 2.49)= 0.011  м²

Для обеспечения работоспособности  шнекового механизма необходимо выполнение условия 

 ≥  S_ш 

8. Определим крутящий момент на валу шнека 

 

 =0,131*m* (-)tg  _ср   ,   Н*м 

=0,131*3*0,06* (-)0.466  = 18.46 Н*м

9. Осевое  усилие, действующее на валу шнека

 

       ⁼ 0,393*m*   (D² - d²), Н ,       

⁼ 0,393*3*0.06* (-)=926.7 H

Где m— число рабочих витков шнека.

10. Произведем  расчет нормальных  и касательных напряжений τ в опасном сечение шнека. 

 

 =

где S— площадь поперечного сечения вала шнека, м²; W — полярный момент сопротивления вала шнека, м³.

Определим площадь поперечного сечения полого вала.

S=()=()=0.000263м²

где d — наружный диаметр трубы вала шнека; 

d_вн- внутренний диаметр трубы вала шнека.

==3.5 _МПа

τ = = =4.46 _МПа

11. По  полученным значениям площади поперечного

сечения находим нормальное напряжение сжатия для полого вала шнека.

0.00001788328125

Лист

18

 

Полярный  момент сопротивления вала  зависит от сечения вала.

Для полого вала 

 
полученные значения полярного момента  сопротивления позволяют рассчитать касательные напряжения, действующие  в сечении полого вала.  

12. Определим эквивалентное напряжение  , действующее в сечении сплошного вала и полого вала шнека. 

 

   _{= ,МПа}

 

_{==9.6 МПа}

Для проверки прочности вала шнека проведем сравнение расчетного эквивалентного напряжения и допускаемого напряжения материала вала. 

Условием  прочности является 

  _≤

Для изготовления шнека была принята сталь 12Х18Н9Т, для которой  предел прочности 180МПа. Полученное значение эквивалентного напряжения, показывает, что условие прочности для  полого вала – выполняется.

Для изготовления сварного шнека подготавливают кольца из листовой стали с наружным диаметром «D», внутренним диаметром «d» и секторным вырезом с углом «β». Данные размеры необходимы для получения винтовой поверхности с заданными параметрами большого диаметра D, малого диаметра d и шага шнека Н.

13. Для определения размеров заготовки  кольца произведем расчет длины шнека 

 

 L=z*H   , м 

L=6*0.09= 0.54 м  

где z -общее число витков шнека.

Ширина  винтовой поверхности витка шнека  b     

b = 0,5(D-d), м 

Лист

19

 

     b = 0,5(0.12-0.036)= 0.042 м

Угла  выреза сектора определим из зависимости    

, рад

β=6.28 – = 0.4 рад =

Наружный  диаметр кольца заготовки шнека   

D₀ =  ,м

D₀ = =0,132 м

 

Внутренний  диаметр кольца заготовки 

d₀ ==0.048 м

Для изготовления шнека кольцо изгибается по винтовой линии на валу и приваривается  к поверхности. 

 

 

     

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

20

 

 Разраб.

 

 Провер.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Расчет шнекового

дозатора

Лит.

Листов

 

Расчет привода шнекового рабочего органа

Произведем  расчет мощности электродвигателя, необходимой для привода шнека: 
 

 

где - КПД привода (принимаем = 0,65 ).

Принимаем электродвигатель 4АА63А6СУ1:

Мощностью  0.18 кВт;

Частота вращения 980 мин^-1.

Общее передаточное число:

 

Разобьем кинематическую схему на 2 звена:

1 – гибкая кинематическая  связь с помощью клиноременной  передачи и передаточным числом 6;

2 – стандартный редуктор  с полученным значением передаточного  числа. Редуктор подбирается в  соответствии с полученным передаточным  числом и моментом. После выбора  редуктора уточняется передаточное  число клиноременной передачи.

Принимаем редуктор типа Ч-80:

Крутящий момент на тихоходном валу 170~300 Н*м;

Передаточное число 25;

Масса 30 кг.

 

 

 

 

 

 

Лист

21

 

Уточненное передаточное число клиноременной передачи:

 

Расчет клиноременной  передачи

1. Определим момент на быстроходном валу:

 

 

2. Определим диаметр меньшего шкива:

 

 

Из ряда стандартных размеров шкивов принимаем диаметр ведущего шкива 63 мм.

3. Определим диаметр большего шкива:

 

 

Из ряда стандартных размеров шкивов принимаем диаметр ведомого шкива 450 мм.

4. Принимаем клиновой ремень нормального сечения типа О.

Размеры ремня:

Максимальная окружная скорость 25 м/с;

Расчетная ширина 8,5 мм;

Ширина 10 мм;

Высота 6мм;

Площадь сечения 47 мм².

5. Определим скорость ремня;

 

 

Лист

22

 

Определим угловую скорость ведомого шкива:

 

 – коэффициент проскальзывания  ремня, принимаем равным 0.02;

 

6. Определим фактическое передаточное отношение:

 

 

7. Определим окружную силу действующую на валу электродвигателя:

 

 

8. Определим межосевое расстояние:

 

 

9. Определим длину ремня:

 

 

 

 

Длина ремня выбирается из ряда стандартных размеров и принимается 1060 мм.

10. Уточним межосевое расстояние:

Лист

23

 

 

11. Определим угол обхвата:

 

 

12. Определим частоту пробегов ремня:

 

 

13. Определим исходное полезное напряжение, действующее в ремне:

 

 – коэффициент,  учитывающий передаточное отношение,  принимаем равным 1.14

 

14. Допускаемое полярное напряжение в ремне:

 

 – коэффициент,  учитывающий угол обхвата, принимаем  равным 0.83;

 - коэффициент, учитывающий условие работы клиноременной передачи; учитывая условия работы (2 смены и перегрузка при пуске 150%) принимаем равным 0.8.

 

 

 

 

 

Лист

24

 

Определим необходимое количество ремней:

 

 

Округляем в большую сторону  и принимаем количество ремней равным 1.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

26

 

 

 Разраб.

 

 Провер.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Расчет шнекового

дозатора

Лит.

Листов

 

Заключение

В ходе выполненных расчетов были определены основные размеры и  характеристики шнекового дозатора. Выбран и проверен запас прочности  вала шнека. Также был проведен выбор редуктора и электродвигателя.

В результате получили шнековый дозатор  с диаметром шнека 120 мм, шагом винта 90 мм, выдающий заданную производительность 750 кг/ч при частоте вращения 5,8 оборотах в минуту. Выбран вал шнека с диаметром 36мм, с большим запасом прочности. Оптимальное передаточное число редуктора – 25.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

25

 

 Разраб.

 

 Провер.