Расчёт и конструирование шнекового пресса для пластичных продуктов

Инв. № подп

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата

 

 

 

 

 

Лист

 

33.52.РКМ.00.00.000 ПЗ

 

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание

Спроектировать и рассчитать шнековый пресс для пластичных продуктов

Формуемый продукт – комбикорм в гранулах

Производительность – П = 150 кг/ч

Сечение каналов матрицы – d_к = 10 мм

Определить

Основные размеры шнека и матрицы

Частоту вращения шнека

Расходно-напорную характеристику пресса

Мощность и кинематику привода

Вал шнека

Толщину матрицы

Болты крепления матрицы

Передачу привода

 

Введение

 

Пресс состоит из нескольких основных узлов - корпуса, оснащенного нагревательными элементами, рабочего органа - шнека, размещенного в корпусе, узла загрузки перерабатываемого продукта, привода, системы задания и поддержания температурного режима и других контрольно-измерительных и регулирующих устройств.

Наибольшее распространение в промышленности получили шнековые прессы. Захватывая исходный продукт, шнек перемещает его от загрузочного устройства вдоль корпуса. При этом продукт сжимается, пластифицируется, гомонезируется. По частоте вращения шнека подразделяют на нормальные и быстроходные с окружной скоростью, а по конструктивному исполнению - на стационарные и с вращающемся корпусом, с горизонтальным и вертикальным расположением шнека.

Конструкции прессов могут быть классифицированы также по геометрической форме, механическим, функциональным или термодинамическим характеристикам. Кроме того, прессы рекомендуется классифицировать по их физическим признакам, поскольку они оказывают влияние на химические структурные характеристики прессования продуктов. Особое значение имеют такие параметры, как уклон режущей кромки матрицы и количество тепловой энергии образующейся в процессе прессования, за счет механического преобразования энергии: температура во время процесса, влажность прессуемой массы.

 

Описание конструкции

 

Шнековый пресс предназначен для выдавливания биомасс при производстве дрожжей. Он состоит из плиты 15, станины 1 с кронштейном 12,электродвигателя 14, червячного редуктора 13, корпуса 4 со шнеком 3 и формующей матрицей 2, головки 7 с парой конически шестерен 8 и загрузочной воронки 5 со спиралью 11.

Внутри головки 7 находится горизонтальный вал 9 с конической шестерней и приводной звездочкой 10, вертикальный вал 6 с конической шестерней и спиралью.

Спираль 11 подает дрожжевую массу в корпус 4 непрерывного перемешивания ее в загрузочной воронке 5. Шнек 3 выпрессовывает массу через формующие каналы матрицы 2 в виде почти бесконечных жгутов, которые после предварительного охлаждения разрезаются на брикеты.

В шнековых прессах скорости выхода массы через формующие каналы не одинаковы. Для выравнивая скоростей увеличивают длину средних каналов по сравнению с крайними, устанавливают дополнительное сопротивление перед средними каналами либо устанавливают более высокую температуру стенок крайних формующих каналов. Добиться полного равенства скорости во всех каналах весьма трудно.

Материал для матрицы должен быть коррозийностойким, обладать антиадгезионными свойствами и высокой прочностью. Чтобы снизить прилипаемость формующего продукта, отверстия полируют и хромируют. Широко применяют в настоящее время матрицу состоящую из металлической обоймы и сменных вставок. Вставки представляют собой сменные гильзы с формующими отверстия, изготавливаются из пластмасс с с сильно выраженными антиадгезионными свойствами.

Форма и размер предматричной камеры зависит от свойств перерабатываемого продукта.

Формование прессованием имеет ряд преимуществ: непрерывность осуществления процесса с высокой скоростью, безотходность технологии и высокая культура производства.

 

Расчетная часть

1. Основные размеры шнека и матрицы.

 

Так как в задании производительность сравнительно небольшая, применение шнеков, установленных на промышленных прессах для макаронной, кондитерской, масложировой и других отраслях промышленности не целесообразно.

На рисунке представлены части рабочей камеры шнекового пресса, на которой проставлены конструктивные параметры шнека.

В химической промышленности при переработке термопластичных материалов применяются экструдеры для получения различных изделий по конструкции аналогичной шнековому прессу. Для них серийно выпускаются шнеки с наружным диаметром от 25 до 203мм для машин производительностью от 2,25 до 450м/ч. Интерполируя указанный ряд диаметров шнеков в заданном диапазоне производительностей, можно получить эмпирическое уравнение для расчета диаметра шнека D(м) в зависимости от заданной производительности - П(кг/ч).

 

 

 

 

На рисунке представлены части рабочей камеры шнекового  пресса, на которой проставлены конструктивные параметры шнека.

D

Рисунок 1. Рабочая камера шнекового пресса

По найденному и округленному до стандартного наружному диаметру шнека D, можно определить остальные параметры.

 

Шаг шнека

 

 

Угол подъема винтовой линии

 

 

Ширина канала шнека

 

 

Высота канала

 

 

Толщина пера шнека

 

 

Зазор между шнеком и корпусом

Внутренний диаметр шнека

 

 

Так как формируемая масса из канала шнека подается в канал матрицы, то очевидно, площади этих каналов должны быть равновеликими.

Площадь нормального сечения канала шнека F(м), очевидно, равна площади трапеции образуемой высотой h, и основаниями - W₁ и W.

Поэтому:

 

 

Величина W₁ зависит от угла наклона стенки канала шнека, который в свою очередь, можно брать в пределах 20 - 30°. Примем .

Тогда:

 

 

Каналы матрицы расположены по фронту горизонтально в ряд. В зависимости от формы сечения канала матрицы определяем площадь этого сечения F₁, а затем количество каналов матрицы z:

 

 

 

 

Принимаем z = 22.

 

Если А=d_к - определяющий размер канала по ширине и высоте, то задав расстояния между соседними каналами - В, можно определить длину матрицы - L_м и ее высоту - h_м. Принимаем B = 0,007 м, тогда:

 

 

 

 

 

L_м

Рисунок 2. Формующая матрица

h_м

B

A

2. Частота вращения шнека

 

Частоту вращения шнека - n (об/мин) можно определить по уравнению расхода массы, через кольцевые сечения шнековой камеры:

 

 

Где:

П - заданная производительность пресса, кг/ч

D и d - соответственно наружный и внутренний диаметр шнека, м

t - шаг шнека, м

р – плотность подаваемой массы, кг/м³

р = 800 коэффициент осевой подачи массы

= 0,6

3. Расходно-напорная характеристика пресса

 

Зависимость расхода массы от давления при ее формовании каким-либо устройством, предоставленная аналитическим выражением и графическим, называют расходно-напорной характеристикой этого устройства. Формирующий пресс, в основном, имеет два устройства, обеспечивающих проведение этого технологического процесса: нагнетатель и формирующий инструмент.

В данном случае нагнетательным является шнек, а формирующим инструментом служит матрица. Поэтому расходно-нагнетательная характеристика пресса представляет собой совокупность характеристик шнека и матрицы. Эти характеристики являются важнейшим техническим документом так как позволяют анализировать процесс формования продукта в целом и оптимизировать работу пресса.

Расходно-напорная характеристика матрицы.

В общем случае зависимость между объемом формирующих каналов матрицы - Q (м²/с) и давлением Р (Па), необходимым для преодоления сопротивления каналов, можно представить в виде:

 

 

Где:

- геометрический параметр канала матрицы, м³

 - эффектная вязкость формуемого продукта, Па

z - количество каналов матрицы

z = 22

Геометрический параметр канала произвольного сечения

 

 

Где:

 - площадь сечения канала

 

- периметр сечения канала

 

- длина канала матрицы

 

 

Эффективную вязкость формуемой массы определяют по результатам экспериментального исследования реологических свойств. Для жидкостей, которыми являются указанные в задании продукты, зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига ,с^-1 - можно описать эмпирическим уравнением

 

 

Где:

 — коэффициент, характеризующий течение массы в канале, Па. Он зависит от вида массы и температуры формования.

 

Коэффициент ,Па и плотность ρ, кг/м³ продуктов.

Продукт	Коэффициент , Па	Плотность ρ ,кг/м3
Комбикорм в гранулах	1800	800

 

Скорость сдвига в канале матрицы  ,с^-1 может быть определена в зависимости от заданной производительности процесса, площади живого сечения канала матрицы, плотности массы, количества каналов матрицы и наименьшего определяющего размера канала.

 

 

Согласно уравнению при построении графика этой зависимости, необходимо учесть во-первых, что график представляет собой прямую наклонную линию, проведенную из начала координат, где горизонтальная ось - это давление массы – Р, Па, а вертикальная ось это объемный расход массы Q, м³/с; во-вторых, что угол наклона графика:

 

 

Поэтому

 

 

 

 

Расходно-напорная характеристика шнека

 

Для шнека расходно-напорная характеристика получается суммированием двух уравнений расхода через канал шнека. Одно из них описывает подачу массы к матрице в результате вращения шнека, другое - обратный поток, сопротивление матрицы.

 

Где:

- объемный расход продукта в канале шнека, м³/с

Р - давление формования массы в конце шнека, Па

n - частота вращения шнека, об/мин

 - эффективная вязкость массы в канале шнека, Па

 

Где

- средняя ширина данного шнека

 

 

К_ш1- коэффициент, учитывающий геометрию канала шнека, м³

 

 

К_ш2- коэффициент учитывающий течение массы в канале шнека, м³

 

 

Где:

 - длина шнекового канала, которую можно определить следующим образом. Для обеспечения надежного нагнетателя массы, шнек должен иметь 6-10 полных рабочих витков .

Следовательно, осевая длина шнека L₀, м будет равна:

 

 

 

Поэтому

 

 

 

Характеристика шнека представляет собой прямую наклонную к оси общей под углом линию, проведенную от точки на оси ординат, соответствующую максимальному расходу массы , м/с при давлении Р равном нулю.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. График зависимости Q от P

 

Точка пересечения характеристик матрицы и шнека 1 указывают на рабочие параметры пресса расход Q_n, м³/с и давление P₁, Па. Совместное решение уравнений позволяет определить параметры:

 

 

 

 

 

По этим параметрам можно определить масштабы графика. Измерив отрезок 0Q_n, мм определяем масштаб расхода масс M_q, м³/с. 0Q_n = 100 мм

 

 

Измерив отрезок 0Р₁, мм, определим масштаб давления массы М_р, Па. 0Р₁=100 мм.

 

 

Найденному расходу массы - Q_n, м³/с соответствует производительность пресса П_n, кг/ч

 

 

Эта производительность может быть выше или ниже заданной. Тогда по заданной производительности можно определить фактический расход массы - Q_ф, м³/с.

 

 

Проведя горизонталь от точки до пересечения с характеристикой матрицы.

 

Скорость отводящего конвейера

 

Из уравнения расхода массы через поперечное сечение всех каналов матрицы, можно определить скорость выхода сформированных жгутов, то есть скорость отводящего конвейера - V_k, м/с

 

 

4. Мощность и кинематика привода

 

Из литературы можно взять формулу, несколько преобразовать ее, получить выражение для определения движения смеси в шнековой камере - S, Н.

 

 

Где:

S₁ - сила полного давления на шнек, Н

S₂ - сила давления на шнековую камеру, Н

S₃ - сила давления на перо шнека, Н

- коэффициент общего сопротивления движения массы

 

Р₂ = 0,1 MПа

 

 

 

 

 

 

 

 

Где:

L_n - длина предматричной камеры

L_n = 0,072 м

 

Определив движущую силу, можно определить и расчетную мощность N, Вт потребную на перемещение формуемой массы в шнековой камере пресса:

 

 

Где: окружная скорость поверхности шнека, м/с