Брикетирующий пресс

ТЕХНИЧЕСКОЕ  ЗАДАНИЕ

 

Студенту   _______________________________________________,

 

Курса  ______, Шифр ____________________, Подвариант _____,

 

Спроектировать - «Штанговый брикетирующий пресс»

 

 

Исходные данные:

 

1. Производительность 2100 шт/ч.

 

2. Удельное давление брикетирования продукта 22 мПа.

 

3. Размер брикета  35x50x50 мм.

 

Определить параметры:

 

1. Мощность привода пресса.
2. Размер маховика.

3. Кинематику привода 

 

Рассчитать на прочность:

 

1. Передачу привода

 

Графическая часть:

 

1. Сборочный чертеж пресса А1-1л
2. Кинематическая схема А2-1л
3. Индикаторная диаграмма А2-1л
4. Деталировка маховика А3-1л

 

 

 

ЗАДАНИЕ ПОЛУЧИЛ:        ____________________________

 

ЗАДАНИЕ  УТВЕРДИЛ:    

 

          Руководитель проекта _____________________________

 

          «_____» ________________ 2013  г.

 

 

 

 

Введение

 

Брикетирующие прессы широко применяются  в пищевой и фармацевтической промышленности для прессования различных брикетов из порошкообразных и гранулированных пищевых продуктов, а также таблеток различной формы. Для этой цели применяются различные конструкции прессов, отличающиеся как принципом работы, так и видом рабочих органов. Наиболее часто применяются следующие рабочие органы:

а) пуансон и матрица (штанговые  и карусельные прессы);

б) шнек и матрица (шнековые прессы);

в) прессующий барабан или валки (кольцевые и вальцовые прессы);

г) прессующая лента и валки (ленточные  прессы).

Рассмотрение всех указанных типов  прессов, их устройства, работы и расчета  основных параметров имеется в специальной литературе.

Согласно заданию на проектирование сделаем расчет штангового брикетирующего пресса. Эти прессы применяются для получения твердых брикетов из порошкообразных и других рассыпчатых продуктов.  Пресс предназначен для прессования брикетов из сыпучих продуктов. В результате брикетирования сыпучий продукт спрессовывается в брикет определенных размеров и плотности.

Полученные брикеты удобны в  упаковывании хранении и транспортировании; лучше защищены от влаги и прогоркания. Штанговый пресс относится к группе машин с резко неравномерными (пиковыми)   нагрузками на рабочие органы, а его  расчет, а именно, определение размеров маховика, носит общий характер. Поэтому его можно применять для аналогичных машин силового действия, имеющих значительные «пиковые» нагрузки.

 

 Устройство   пресса

 

 

             

 

 

Рисунок 1. Принципиальная схема штангового брикетирующего пресса.

 

Схема пресса, работающего в пищеконцентратной  промышленности, показана на рисунке 1. В прессе можно выделить следующие основные элементы. Маховик 1, получающий вращение от электродвигателя, зубчатую передачу 2, кривошип 3, шатун 4, прессующую штангу 5, совершающую возвратно-поступательное движение, корпус 6 с загрузочным отверстием 7, прессующий канал 8 длиной до нескольких десятков метров и заполненный спрессованными брикетами, клиновое устройство 9 с регулировочным винтом 10, крышку прессующего канала 11 с регулировочными винтами 12.

 

 Работа пресса

 

В загрузочную воронку 7 загружается прессуемый сыпучий продукт. При нахождении прессующей штанги в крайнем левом положении открыта нижняя часть воронки, и продукт попадает в пространство корпуса перед штангой; двигаясь вправо, штанга перекрывает вначале загрузочное отверстие воронки и затем начинает прессовать порцию продукта в замкнутом объеме, причем спереди выход в канал закрыт плотными, предварительно спрессованными брикетами.

По мере прессования брикета  давление, действующее на порцию продукта, увеличивается, в связи с этим усилие, действующее на двигающуюся вправо прессующую штангу, равно как и на предварительно спрессованные брикеты, также увеличивается. Наконец наступает момент, когда это усилие сравнивается с силой трения на продвижение брикетов в прессующем канале. Иными словами, величина этой силы трения определяет наибольшее усилие, которое действует на продукт и на прессующую штангу в процессе прессования брикета.

Попутно можно отметить, что величину этого наибольшего усилия можно при необходимости легко регулировать в процессе работы пресса при помощи регулировочных винтов 12 на крышке прессующего канала 11, а это, в свою очередь, влияет и на давление прессования брикета, а значит и на его толщину - в (см. рисунок 1).

После того как усилие прессования  достигло наибольшего значения, происходит продвижение и вновь сформированного брикета и всех брикетов в прессующем канале на толщину брикета - в. На этом заканчивается рабочий ход прессующей штанги, после чего она движется в обратном направлении, совершая холостой ход до своего крайнего левого положения, снова открывая загрузочное отверстие воронки, начиная новый цикл прессования следующего брикета.

Таким образом, нормальная работа может  быть при том условии, что прессующий канал полностью заполнен брикетами. Только тогда возможно создать определенную силу сопротивления продвижению брикетов, а, следовательно, и определенное давление прессования брикета. Спрессовывания вновь сформованного брикета с ранее сформованными в корпусе пресса обычно не происходит, так как плотность продукта в брикете не постоянна. Она значительно выше там, где брикет соприкасается с прессующей штангой и меньше на противоположном конце. Поэтому на выходе из прессующего канала брикеты достаточно легко отделяется друг от друга.

 

 Определение усилий

 

Величину  наибольшего усилия прессования  брикета – Р_max, Н (см. рисунок 1), а следовательно и необходимую силу трения продвижению брикетов в прессующем канале можно определить следующим образом:

 

                                             P _max = σ · F;                                                 (1)

 

P _max = 22000000 · 0,0025 = 55000 H.

 

где: σ – наибольшее удельное давление, необходимое для получения брикета, Па. Оно зависит от вида продукта и его физико-механических свойств (см. таблицу задания).

      F – площадь поперечного сечения прессующей штанги, м², соответствующая форме и размерам формуемых брикетов:

 

      F = B· H ;       (2)

 

F = 0,05 · 0,05 = 0,0025 м².

 

где В – ширина брикета, м;

       Н – высота  брикета, м.

 Это усилие возникает в  момент окончания формования  брикета, т.е. в момент начала  продвижения брикетов в прессующем канале. Оно передается на детали приводного механизма прессующей штанги.

 

 Индикаторная диаграмма

 

Выше было показано, что в момент времени, когда усилие прессования  достигает наибольшего значения можно определить значение всех сил, действующих в приводном механизме и крутящего момента на приводном валу. Теперь можно проследить за изменением этих сил в процессе прессования       за один оборот кривошипа.

Построим диаграмму изменения  усилий за один оборот кривошипа, где  на оси абсцисс  будем откладывать перемещение прессующей штанги - S, м, а на оси ординат значения действующих сил в Н (рисунок 2). Так как прессующая штанга за один оборот кривошипа совершает один двойной ход (влево и вправо) – 2S, то условно оба эти перемещения изобразим на диаграмме одной прямой линией ОВ, где отрезок ОА характеризует перемещение штанги вправо (ход S), а отрезок АВ характеризует перемещение штанги влево (ход S). Заметим, что если – R_к радиус кривошипа, то ход – S = 2R_к и соответственно – 2S = 4R_к .

Рассмотрим подробно действие сил при движении штанги во время рабочего хода, от крайнего левого до крайнего правого положения.

В начале движения, до перекрытия загрузочного отверстия (отрезок ОС) штанга не испытывает заметного сопротивления, так как  прессование продукта при открытом загрузочном отверстии не происходит, а сила трения на продвижение прессующей штанги ничтожно мала в сравнении с другими силами. Поэтому  в принятом нами масштабе сил ордината этого отрезка  не отлична от нуля. По оси абсцисс отрезок ОС равен фактически размеру загрузочного отверстия в направлении движения прессующей штанги, взятому в масштабе перемещений. Практически этот размер берут равным длине формуемого брикета – L, м.

             

Рисунок  2. Индикаторная диаграмма  пресса

 

Начиная от точки С усилие прессования увеличивается, т.к. загрузочное отверстие перекрыто и происходит сжатие продукта в закрытом объеме. Усилие возрастает до наибольшего значения в точке Д, как раз до того момента, когда закончится формование брикета. Однако для определения положения точки Д лучше рассмотреть процесс от крайне правого положения прессующей штанги, т.е. от точки А.

Так как в этот момент времени усилие от наибольшего значения в точке Е резко падает практически до нуля в точке А, поэтому можно провести вертикальную линию АЕ, равную величине наибольшего усилия прессования Р, Н, отложенного в масштабе сил.

Отрезок ДЕ – характеризует процесс продвижения брикетов в прессующем канале под действием постоянного наибольшего усилия на величину - L, равную длине брикета, отложенному в масштабе перемещений.

Определив таким образом положение точки Д, соединяем точки С и Д прямой линией, показывающей равномерное нарастание усилия прессования.

Горизонтальная  линия – AB характеризует холостой ход прессующей штанги при фактически нулевом усилии.

Полученная  ломаная линия ОСДЕАВ представляет собой диаграмму изменения сил, действующих на прессующую штангу и весь механизм ее привода за один оборот кривошипа со стороны прессуемого продукта. То есть фактически эта диаграмма сил сопротивления.

Пользуясь этой диаграммой легко определить не только нагрузку на все детали пресса в любой момент движения, но и  энергоемкость процесса прессования, т.е. мощность, потребную для привода пресса.

Действительно, если механическая работа определяется обычно как произведение силы на пройденный путь, то по индикаторной диаграмме, на которой по осям отложены эти параметры, можно определить работу сил сопротивления - А_с (Дж). Эта работа характеризуется площадью трапеции СДЕА и равна величине этой площади - F_СДЕА , вычисленной по индикаторной диаграмме. Как известно площадь трапеции равна произведению полусуммы оснований на высоту, поэтому:

 

                                      F_СДЕА = (AC + ДE) · AE / 2   (3)

 

В частности, для брикетирующего пресса,  как мы уже знаем, индикаторная диаграмма сил сопротивления за один оборот кривошипа представляет собой трапецию.                           

В данном случае АС, ДЕ и АЕ выражают конкретные величины, а именно:

АС – ход прессующей штанги от момента перекрытия загрузочного отверстия до конца ее перемещения вправо. Если величина загрузочного отверстия равна L, м , а полный ход штанги -  S, м равен:  S = 4 · L ,  то   

   АС = S – L = 3 · L, м;     (4)

 

AC =S – L = 3 · 0,035 = 0,105 м.

 

ДЕ – величина перемещения брикетов в прессующем канале, равная длине - L одного брикета, м;

АЕ – наибольшее усилие на прессующей штанге – P _max, Н (см. рис. 1 и уравнение 1).

Таким образом, имеется возможность подставить в уравнение (3) вместо указанных  отрезков натуральные величины перемещений в метрах и усилия в ньютонах, а потому не учитывать масштабы этих величин. Тогда согласно уравнению (3) получим значение работы сил сопротивления – A_c , Дж:

 

                         A_c = (3 · L + L) · P _max / 2 =  2 · L · P _max ;                        (5)   

 

A_c = (3 · 0,035 + 0,035) · 55000 / 2 = 3850 Дж.                                  

 

Так как мощность есть работа совершенная  в единицу времени, то мощность - N, Вт, потребная на процесс брикетирования, будет равна работе сил сопротивления – А_с, Дж за время одного оборота кривошипа – Т _к, с.

 

N = A_c / Т_к ;       (6)

 

N = 3850 / 1,71 = 2252 Вт.

 

Здесь Т_к - кинематический цикл механизма привода прессующей штанги равный:

Т_к = 60 / n_к ;       (7)

 

T_k = 60 / 35 = 1,71.

 

где n_к – частота вращения кривошипа, мин^-1. Она находится из заданной производительности пресса – П, шт / ч:

 

n_к = П / 60 ;       (8)

 

n_k = 2100 / 60 = 35 мин^-1.

 

Мощность электродвигателя –  N_э , Вт с учетом общего КПД привода пресса – η₀ (0,7 – 0,8) и коэффициента запаса мощности – к (1,1 – 1,3) равна:

 

N_э = N · к / η₀ ;       (9)

 

N_э = 2252 · 1,2 / 0,75 = 3603 Вт.

                                                                                          

С другой стороны, электродвигатель привода прессующей штанги, имея на своем валу постоянный крутящий момент, создает на кривошипе постоянное окружное усилие – Р₀, Н, величина которого может быть найдена из индикаторной диаграммы.

Это усилие можно отложить на оси ординат  диаграммы. В масштабе сил она изображается отрезком ОО₁. Так как за один оборот кривошипа эта сила остается постоянной, то можно провести на диаграмме прямую горизонтальную линию О₁В₁, которая фактически представляет собой график движущих сил.

Из закона о сохранении энергии  следует, что для того чтобы машина работала,  работа сил сопротивления – А_с , Дж должна быть равна работе движущих сил – А_д , Дж. Последняя работа на индикаторной диаграмме изображается площадью прямоугольника – ОО₁В₁В, которая  равна произведению  отрезков ОО₁ · ОВ. Но ОО₁ = Р₀ , Дж, а ОВ = 2· S, м. Следовательно, работа движущих сил – А_{д ,} Дж равна: А_д = Р₀ · 2 · S. Или с учетом принятого соотношения (4) и уравнения (5) окружное усилие – Р₀, Н равно: