Шнековый пресс

МЕТОДИКА РАСЧЕТА

 

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

H = k_*D ,

H=0.75*0.14=0.1 м

d = k₁*D

d=0.1*0.14=0.056 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 8734-88 выбираем бесшовную трубу из нержавеющей стали 20Х13 с наружным диаметром d = 57 мм и толщиной стенки ∆_т = 4 мм.

Угол подъёма винтовой линии  витка шнека зависит от размера  шага витка и величины диаметра. Угол подъема в зоне большого диаметра шнека α_D , рад

α_D = arctg    рад

рад

      Угол подъема у вала , рад

 ,  рад

 рад

Среднеарифметическое значение угла наклона винтовой линии α_ср

α_ср =           рад, градус. 
α_ср=1/2(0,224+0,561)=0,392 рад22⁰

Определим коэффициент отставания транспортируемого (перемещаемого) шнеком продукта к₀

к₀= 1 - (cos² α_ср - 0,5f sin 2α_ср ) 

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

Предельный диаметр вала шнека  определим из зависимости:

 , м. 
= 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  
0,057 м ≥ 0,019 м

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

 

 

где а -отношение большого диаметра шнека к диаметру вала шнека;  
a= 0.14/0.057=2.5

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

,мм 
мм

Допускаемое напряжение при изгибе приравниваем допускаемому напряжению при растяжении, значение которого выбираем по справочным материалам [l]. Для определения угловой частоты вращения шнека [] используем форму расчета производительности по конструктивным параметрам шнека:

Q =

где - объемная масса продукта, кг/м³; - коэффициент заполнения объема для сыпучих продуктов 0,7ч- 0,85; для вязких продуктов 0,85 ч-1,0.

Откуда

 
 рад об/мин

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

, м² 
м²

Площадь поверхности витка шнека «S_ш» по длине шага Н

S_ш = ,м²

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

L = м

L= м

, м

м

 

 м²

Для обеспечения работоспособности  шнекового механизма необходимо выполнение условия

 

Определим крутящий момент на валу шнека

 

 Н*м

Осевое усилие, действующее на валу шнека

 ⁼ 0,393- (D² - d²), Н ,

где— число рабочих витков шнека.

Произведем расчет нормальных _сж и касательных напряжений в опасном сечение шнека.

 

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

Определим площадь поперечного  сечения сплошного и полого вала.

Для сплошного вала

 

 

Для полого вала

 

 

 

где d — наружный диаметр трубы вала шнека; d_вн- внутренний диаметр трубы вала шнека.

По полученным значениям площади  поперечного сечения находим  нормальное напряжение сжатия для сплошного  и полого вала шнека.

 

 

Полярный момент сопротивления  вала W_р зависит сечения вала.

    Для сплошного вала

 

 

Для полого вала

 

 

Полученные значение полярного  момента сопротивления позволяют  рассчитать касательные напряжения, действующие в сечении сплошного  и полого валов.

 

 

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

 

 

 

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

 

Условием прочности является

 

Произведем расчет мощности электродвигателя, необходимой для привода шнека

 

 

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

Шнеки в зависимости от назначения, технологических требований и условий  эксплуатации изготавливают литыми, точеными и сварными. Точеные шнеки на практике применяют редко из-за низкого коэффициента использования материала при изготовлении шнека.

Для изготовления литых шнеков требуется  дорогостоящая технологическая  оснастка, в связи, с чем литьем шнеки изготавливаются при серийном производстве. При индивидуальном производстве используют сварные шнеки, для изготовления которых используют круглый прокат, либо трубы с диаметром соответствующим расчетному значению.

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

Для определения размеров заготовки  кольца произведем расчет длины шнека

, м

где z -общее число витков шнека.

Ширина винтовой поверхности витка  шнека b

b = 0,5(D-d),мм

 

Угла выреза сектора определим  из зависимости

β= , радиан

 

Наружный диаметр кольца заготовки  шнека

D₀ =

 

Внутренний диаметр кольца заготовки

 

 

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

 Выбор и обоснование кинематической схемы привода шнека

В процессе проектирования приводов рабочих органов и исполнительных механизмов перерабатывающего оборудования необходимо выбрать наиболее оптимальную кинематическую схему и обосновать параметры каждой передачи и каждого звена схемы.

Выбор вида передач определяется конкретными  условиями работы привода техническими характеристиками и требованиями.

К числу общих требований предъявляемых  к передачам относятся параметры  надежности - долговечность, безотказность, ремонтопригодность, а также простота конструкции, компактность, бесшумность работы, высокая виброустойчивость и простота управления.

При выборе передач привода и  обосновании кинематических параметров учитываются технологические требования, среди которых основными является постоянство передаточных отношений, оптимальный коэффициент полезного действия, масса привода, а так же его стоимость. Одним из определяющих параметров привода являются его габариты, которые оказывают влияние на материалоемкость конструкции, мощность привода и стоимость.

Механические передачи различают  на передачи трением - ременные и фрикционные, а также передачи зацеплением - зубчатые, червячные, цепные и винтовые.

В целях повышения эффективности  привода, исходя из конкретных требований и динамических характеристик рабочих органов и исполнительных механизмов разрабатывают комбинированные кинематические схемы, включающие различные механические передачи.

Схемы простых и комбинированных  механических передач представлены на рисунках.

 
 Кинематические схемы простых передач: а -ременная передача; б -цепная передача 
в-зубчатая передача

Одним из условий параметров выбора кинематической схемы привода и  видов передач является передаточное отношение (i).

Общее передаточное отношение привода  определяется как произведение передаточных отношений отдельных ступеней или  передач и выбирается из условий  оптимальной частоты вращения электродвигателя и заданной частоты вращения рабочего органа:

 

 

Выбираем передаточное отношение  клиноременной передачи равное 3.

 

При выборе частот вращения электродвигателей, значения которых стандартизованы  и составляют 750 мин^-1, 1000 мин^-1, 1500 мин^-1, 3000 мин"¹ - таблица 1 приложений необходимо учитывать, что высокоскоростные электродвигатели имеют больший КПД, меньшую массу и стоимость.

В тоже время использование электродвигателей  с повышенным числом оборотов приводит к увеличению передаточного отношения привода и соответственно к росту его стоимости. На практике для привода, как правило, используют частоты вращения эл. двигателя выше 1000 мин-¹.

Передаточные отношения отдельных  звеньев привода выбираются по рекомендуемым значениям для каждого вида передач.

Выбирая передаточные отношения, следует  учитывать, что наиболее оптимальным  для клиноременных, плоскоременных и цепных передач является значение 2,5-3,0; а для зубчатых передач - 6,0.

При проектировании привода необходимо руководствоваться стандартными значениями передаточных отношений для клиноременных и зубчатых передач. В соответствии с заданными и полученными в результате расчетов параметрами шнекового рабочего органа составляются кинематическая схема привода, выбирается электродвигатель, а так же осуществляется выбор и расчет кинематических параметров передач, входящих в кинематическую схему привода.

Принимаем редуктор ЗП80М  двухступенчатый с мощностью  двигателя  
N=11 кВт, передаточным числом i=50 и моментом на валу М=2500 Н*м. 

           Расчет кинематических параметров клиноременной передачи

Ременные передачи относятся к  передачам с гибкой связью и широко используются в качестве основных, а так же включаются в состав комбинированных приводов перерабатывающего оборудования. В зависимости от конструктивных особенностей ремней передачи различают на плоскоременные, клиноременные, зубчатоременные, круглоременные и поли- клиноременные. При проектировании ременных передач необходимо знать их преимущества и недостатки по сравнению с другими видами механических передач.

К преимуществам ременных передач  относятся плавность и бесшумность  работы, предохранение механизмов привода  от нагрузок, простота конструкции, а  так же возможность эксплуатации при высоких окружных скоростях (до 100 м/с) с передачей моментов на большие расстояния (до 15 м).

Среди основных недостатков ременных передач следует отметить большие  габаритные размеры, повышенные нагрузки на валы и опоры, до 3 раз превышающие  нагрузки зубчатых передач, недостаточная  надежность ремней, а так же невысокая, до 50 кВт, передаваемая мощность.

Наиболее практическое применение на сегодняшний день получили клиноременные, поликлиноременные и зубчаторе- менные передачи.

В расчетно-графической работе рассматривается  методика расчета клиноременной  передачи с использованием исходных данных, полученных в задании, а так  же по результатам расчета параметров шнекового рабочего органа.

Исходными данными для расчета  кинематических параметров клиноременной передачи является мощность, необходимая на привод шнека, угловая скорость или частота вращения электродвигателя, значение передаточного отношения клиноременной передачи, характеристика динамических нагрузок.

Мощность электродвигателя N определяется при расчете мощности необходимой для привода шнекового рабочего органа.

Частоту вращения электродвигателя выбирают из условия стандартных частот 750 мин^-1, 1000 мин^-1, 1500 мин^-1 и 3000 мин^-1 (таблица 1 приложения). При выборе частоты вращения электродвигателя наиболее оптимальными следует считать электродвигатели с частотами вращения

1000 ми-¹ и 1500 мин^-1. Для клиноременной передачи выбираем значение передаточного отношения от 2,5 до 4.

Эксплуатация проектируемого оборудования, характеризуется двухсменным режимом работы с умеренными колебаниями нагрузки и перегрузкой при пуске до 150 %.

При заданных значениях мощности привода N и выбранной угловой скорости вала электродвигателя , определим момент на валу электродвигателя.

М_{1 =} 1000, Н*м.

 

Выбираем ремень с сечением О с площадью А=47 м²,расчетной шириной b_п=8,5 мм и толщиной h=6 мм. Диаметр меньшего ведущего шкива на валу электродвигателя определим из расчета действующего крутящего момента М₁

 

=114 мм

где С = 38...42 - для клиновых ремней нормального сечения.

В соответствии с расчетным диаметров  выбираем значение меньшего ведущего шкива по стандартизованному ряду R₂₀   d₁=118 мм.

Диаметр больше ведомого шкива d₂ рассчитаем из учета стандартного диаметра меньшего шкива и принятого значения передаточного отношения

d₂ =

Выбираем стандартизованный диаметр  большого шкива d₂ в соответствии с рядом предпочтительных размеров d₂=355 мм.

Окружная скорость ведущего шкива, соответствующая скорости ремня  определяется из выражения

 

Угловую скорость ведущего шкива определим  из учета угловой скорости ведущего шкива, диаметров шкива, а так же коэффициента проскальзывания

 

где -коэффициент проскальзывания (= 0.02).

Уточняем значения передаточного  отношения с учетом корректировки  размеров шкивов

Величину окружной силы, действующей на ведущем шкиве определим из выражения

 

 

Расчетное значение межосевого расстояния вычислим по формуле