Модернизация измельчителя корнеклубнеплодов ИКМ-5 (конструкторская часть дипломного проекта)

5. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА
5.1 Устройство и работа измельчителя корнеклубнеплодов ИКМ-5
Измельчитель корнеклубнеплодов ИКМ-5 базовый вариант (рисунок 5.1) состоит из рамы 1, ванны 12, конвейера-камнеуловителя 2 и мойки. К верхней части на кожухе 5 смонтирован измельчитель 9 с электродвигателем 10, а внутри кожуха расположен вертикальный винт 11, на валу которого в нижней части установлен крылач 13, а в верхней части – выбрасыватель корней 7. Винт в нижней части опирается на капроновую пятку. Измельчающий аппарат 9 расположен в измельчающей камере и состоит из верхнего и нижнего дисков с ножами. На верхнем диске для предварительного измельчения продукта расположены два горизонтальных и один вертикальный ножи. Нижний диск имеет только вертикальные ножи и лопатки для выбрасывания измельчённого корма. Все рабочие органы измельчителя насажены и закреплены непосредственно на валу электродвигателя. В измельчающей камере устанавливается сменная дека, нижняя цилиндрическая часть которой выполнена в виде зубьев.
Рисунок 5.1− Измельчитель корнеклубнеплодов ИКМ-5М
Рабочий процесс протекает следующим образом. Открытием водяного крана заполняют моечную ванну водой до уровня переливной трубки. Затем включают измельчитель 9, винт 11 и конвейер 2, а после них включают конвейер подачи корней на мойку. В моечной ванне вращающимся водяным потоком, создаваемым крылачом 13, корнеклубнеплоды отмываются и винтом транспортируются к измельчителю. Загрязнения, камни и металлические примеси отбрасываются крылачом в приёмник конвейера–камнеудалителя 2 и удаляются за пределы установки. В процессе перемещения корнеплодов винтовым конвейером к выбрасывателю 7 они дополнительно обмываются встречным потоком воды, выходящей из душевой установки 4. Ножами верхнего диска корни предварительно измельчаются в стружку, которая отбрасывается на деку и, проходя между ножами противорежущей гребенки и нижнего диска, доизмельчается и выбрасывается лопатками через направляющий рукав наружу.
Степень измельчения регулируют изменением частоты вращения ре-жущих дисков. С этой целью измельчитель оборудован двухступенчатым электродвигателем 10, который имеет частоту вращения 465 мин-1 при мощ-ности 3,8 кВт и 920 мин-1 при мощности 7,5 кВт. Переключатель частоты вращения расположен в шкафу управления.
Для приготовления измельченной массы для крупного рогатого скота принимают частоту вращения измельчителя 465 мин-1 . При использовании ИКМ-5 для мойки корнеклубнеплодов без измельчения снимают деку и верхний диск измельчителя, а на его место ставят диск-выбрасыватель. Для переработки мерзлых корней на верхний диск измельчителя устанавливают зубчатые ножи, а деку и горизонтальные нож снимают, переключатель переводят в положение 465мин-1.
В установке привод рабочих органов независимый и осуществляется от трёх электродвигателей общей мощностью 10 кВт. Производительность установки 5...7,5 т/ч.
5.2 Обоснование конструкторской разработки
Известен также измельчитель корнеклубнеплодов, который содер-жит бункер с установленным в нем терочным барабаном с режущими вы-ступами, расположенными на его поверхности рядами в шахматном порядке. Терочный барабан установлен вертикально, имеет форму полого цилиндра с открытым нижним основанием. Бункер имеет в поперечном сечении спиралеобразную форму, а в продольном сечении форму усеченного, сужающегося вниз конуса.
При работе данного измельчителя происходит выбрасывание части корнеплодов под действием центробежных сил из бункера при загрузке.
Цель конструкторской разработки − снижение энергоемкости измельчения, повышение производительности, предотвращение выбрасывания корнеплодов из бункера при загрузке.
Поставленная цель достигается тем, что измельчающий барабан устанавливаем на валу, а его верхнюю часть выполняем конической, расширяющейся вниз. Режущие элементы выполняем в виде гребенчатых ножей, установленных на поверхности измельчающего барабана под наклоном к его образующей. Бункер снабжаем отражателем, установленным в его верхней части, и выполняем в форме усеченного, расширяющегося вниз конуса. В нижней части бункера тангенциально по отношению к измельчающему барабану располагаем выгрузное окно, а на валу, ниже измельчающего барабана, радиально устанавливаем криволинейные выгрузные лопасти, длина которых равна внутреннему радиусу измельчающего барабана.
Модернизированный измельчитель корнеклубнеплодов содержит размещенный на раме бункер с вертикально установленным в нем измельчающим барабаном с режущими элементами в виде расположенных на его поверхности рядами гребенчатых ножей, которые установлены на поверхности измельчающего барабана под наклоном к его образующей и под углом к вертикали. Измельчающий барабан выполнен перфорированным с окнами, которые расположены перед гребенчатыми ножами. Бункер снабжен отражателем, установленным в его верхней части и выполненным в форме усеченного, расширяющегося вниз конуса. Измельчающий барабан установлен на валу и имеет форму полого цилиндра с открытым нижним основанием. Верхняя часть измельчающего барабана выполнена конической, расширяющейся вниз. В нижней части бункера имеется выгрузное окно, расположенное тангенциально по отношению к измельчающему барабану. Под измельчающим барабаном радиально установлены криволинейные выгрузные лопасти, жестко закреп-ленные на валу, который смонтирован в подшипниках. Длина выгрузных лопастей равна внутреннему радиусу измельчающего барабана.
Измельчение корнеклубнеплодов осуществляется следующим обра-зом. Корнеклубнеплоды, попадая в бункер, защемляются между стенками бункера и гребенчатыми ножами, установленными на поверхности измельчающего барабана под наклоном к его образующей, и измельчаются. Частицы измельченного материала проходят через окна и попадают внутрь измельчающего барабана, а затем под действием силы тяжести и потока воздуха, создаваемого криволинейными выгрузными лопастями, попадают в нижнюю часть бункера, откуда выбрасываются криволинейными выгрузными лопастями через выгрузное окно наружу.
Выполнение верхней части измельчающего барабана в форме расширяющегося вниз конуса, снабжение бункера отражателем, установленным в его верхней части и выполненным в форме усеченного, расширяющегося вниз конуса, предотвращает выбрасывание корнеклубнеплодов через горловину бункера при их загрузке в измельчитель и способствует более быстрому перемещению корнеклубнеплодов в зону измельчения. Применение криволинейных выгрузных лопастей устраняет забивание внутренней полости измельчающего барабана измельченным продуктом за счет создания потока воздуха, тем самым снижая энергоемкость процесса резания, повышая производительность и обеспечивая бесперебойную выгрузку частиц измельченного материала.

5.3 Прочностные расчеты
Так как конструкция измельчающего аппарата изменена, то изменяется нагрузка на ступицу основания, через которую передается крутящий момент от электродвигателя к верхнему и нижнему измельчающим дискам. Поэтому рассчитаем ступицу основания на прочность и шпонку ступицы на смятие.
Расчет ступицы на прочность
Прочность считается обеспеченной, если наибольшие касательные напряжения, возникающие в опасном сечении, не превышают допускаемых:
 τmax ≤ [τк], (5.1)
где [τк] – допускаемые напряжения при кручении, [τк] = 20...40 МПа.
Наибольшие напряжения вычисляются по формуле:
     τmax = Мвр / Wр ,    (5.2) 
где Мвр – допустимый крутящий момент на валу, Н∙м;
Wр – полярный момент сопротивления при кручении.
Определяем вращающий момент по формуле
Мвр = Мк+ Мрез + Мпод + Мхх,
где Мк – крутящий момент, создаваемый электродвигателем, Н∙м;
Мрез – момент резания, Н∙м;
Мпод – момент на валу измельчающего аппарата, обусловленный сопротивлением механизма подачи, Н•м, (Мпод = 3,1 % Мрез);
Мхх – момент от сопротивления холостого хода, Н•м, (Мхх = 3,5 % от Мрез).
Определяем вращающий момент на валу электродвигателя:
     Мк = Р• 103 / ω,     (5.3)
где Р – мощность на валу электродвигателя, Р = 3,8 кВт;
ω – угловая скорость, рад/с.
Определяем угловую скорость вала электродвигателя:
     ω = π •n / 30,    (5.4) 
где n –частота вращения электродвигателя, n = 465 мин-1 .
ω = 3,14 • 465 / 30 = 48,67 рад/с.
Тогда,
Мк= 3,8• 103 / 48,67 = 78,1 Н•м.
Определяем значения момента резания по формуле
     Мрез = q∙∆S∙D∙n, Н•м,    (5.5) 
где ∆S – активная длина лезвия ножа измельчающего аппарата, м;
q – удельное давление, Н/м;
D – диаметр измельчающего аппарата, м;
n – количество ножей на диске.
Удельное давление определяем по формуле
    q = (0,7...0,75)∙q0 , Н/м,    (5.6)
где q0 – нормальное удельное давление, Н/м (для корнеклубнеплодов принимаем q0 = 15...25).
Тогда,
q = 0,75∙20 = 15 Н/м;
Мрез = 15∙0,57∙0,38∙4 = 13,0 Н∙м;
Мпод = 0,4 Н∙м; Мхх = 0,46 Н∙м;
Мвр = 78,1+13,0+0,4+0,46 = 92 Н∙м.
Определяем полярный момент сопротивления при кручении втулки:
    Wр = π • d3∙ (1- d4 / D4 ) / 16,   (5.7)
где d – внутренний диаметр втулки, мм.
D – наружный диаметр втулки.
Wр = 3,14∙553 ∙(1- 554 / 834 ) / 16 = 26447 мм3.
Определяем напряжение кручения:
τк = Мвр/ Wр = 92∙103 / 26447 = 3,5 МПа.
τmax ≤ [τк].
Определяем амплитуду напряжения цикла τа и среднее напряжение цикла при отнулевом цикле:
    τа = τm = τк /2 = 3,5/2 = 1,75 МПа.  (5.8)  
Принимаем материал втулки со следующими характеристиками:
σв = 570 МПа;
σ-1 = 0,43∙σв =0,43∙ 570 = 246 МПа;
τ1 = 0,6∙σ-1 =0,6∙ 246 =147 МПа.
По табл. 12.16 [8] принимаем коэффициенты kτ и kσ − эффективные коэффициенты концентрации напряжений:
kτ = 1,4 ; kσ = 1,65.
По табл. 12.12 [8] принимаем kd − коэффициент влияния абсолютных размеров.
Для D = 83 мм kd = 0,65.
Для Ra = 3,2 коэффициент влияния шероховатости kf =1,05.
Коэффициент влияния поверхностного упрочнения kv =1.
Определяем общий коэффициент концентрации напряжений для данного сечения втулки:
  (kτ)D = (kτ / kd + kf -1)/ kv = (1,4/0,65 + 1,05-1)/1 = 2,2. (5.9)
Определяем пределы выносливости втулки в данном сечении:
 ( -1)D = -1 / (k)D = 147 /12,2 = 66,8 МПа. (5.10)
Определяем коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям:
 S = ( -1)D / а = 66,8 / 1,75 = 38,2. (5.11)
S > [S] = 1,3....2,1.
Cопротивление усталости в данном сечении обеспечивается.
Расчет шпонки на смятие
Призматическая шпонка рассчитывается на смятие по формуле:
 σсм ≤ [σсм], (5.12)
где Т – передаваемый крутящий момент, Н∙мм;
d – диаметр вала, мм;
l – длина шпонки, мм;
(h-t) – высота грани шпонки в ступице, работающая на смятие, мм;
h – высота шпонки (h = 10 мм, табл.19.11 [8] ), мм;
t1 – глубина врезания шпонки в паз вала (t1 = 6 мм, табл. 19.11 [8]), мм;
[σсм] – допускаемое напряжение при смятии, [σсм] = 60...100 МПа.
Следовательно,
σсм = 11,3 МПа.
σсм ≤ [σсм] – условие прочности шпонки на смятие выполняется.
Расчет сварного соединения
Произведем расчет сварного соединения – лопасть швырялки - втулка
,  (5.13)
где [τ] = 90 МПа – допустимое напряжение на срез для сварного шва [8];
А – площадь швов, м2;
Р – усилие, действующее на соединение, равное силе от действия крутящего момента электродвигателя, Н.
  Р = Мк /l = 78,1 / 0,180 = 434 Н (5.14) 
Площадь швов определяем по формуле:
A=2l•k•cos 45°, м2;  (5.15)
где l – длина шва, м; l = 0,08 м;
k – катет сварного шва , м; δ = 5•10-3 м.
А=2•0,08•5•10-3•cos 45° = 0,57•10-3 м2
Тогда,
τmax = 0,76•106 Па (5.16)
Прочность шва обеспечена, поскольку τmax<[τ], то есть 0,76 МПа<90 МПа.
Произведем расчет сварного соединения – основание барабана – верх-ний и нижний диски барабана.
Усилие, действующее на соединение, будет равно силе от действия общего вращающего момента внутри барабана.
Р = Мвр /l = 92 / 0,190 = 484 Н
Площадь швов составляет:
А=2•0,508•4•10-3•cos 45° = 2,89•10-3 м2
Тогда,
τmax = 0,17•106 Па
Прочность швов обеспечена.