Разработка дозатора для смешивания консерванта и фуражного зерна (конструкторская часть дипломного проекта)

Содержание

2. Конструкторская разработка  
2.1. Описание технологического процесса и конструктивный расчёт дозатора  
2.2.1. Расчёт производительности дозатора  
2.2.2. Расчёт объёма бункера дозатора  
2.2.3. Расчёт размеров бункера дозатора  
2.2.4. Расчёт выгрузного шнека дозатора  
2.2.5. Расчёт ворошителя дозатора  
2.3. Расчёты на прочность деталей и узлов  
2.3.1. Расчёт диаметра вала шнека  
2.3.2. Расчёт и выбор шпонки на валу шнека  
2.3.3. Расчёт и выбор фланцевой муфты, соединяющей валы
мотор-редуктора и шнека  
2.3.4. Расчёт и выбор фланцевой муфты, соединяющей
валы электродвигателя и редуктора привода ворошителя  
2.3.5. Расчёт и выбор подшипников выла выгрузного шнека 



2. Конструкторская разработка

2.1. Описание технологического процесса
Для сокращения потерь урожая при хранении зерна, сена, сенажа, силоса и других кормов применяют различные химические консерванты, в том числе сухие, такие как углеаммонийные соли (УАС), пиросульфат натрия и др. Однако устройств для дозированного внесения сухих консервантов в растительную массу промышленность пока не выпускает.
Условием дозирования таких трудносыпучих химических консервантов, как УАС, в некоторой степени отвечают цепные и звездчатые аппараты для высева минеральных удобрений, а также другие звездчатые аппараты.
Но в этих устройствах материалы зависают в накопительном бункере или камере выдачи перед выгрузными окнами, что отрицательно влияет на точность и равномерность дозирования.
Исходя из этого, предлагается дозатор, исключающий зависание трудносыпучих материалов в бункере и в камере выдачи. Он позволяет дозировать материалы с отклонением от заданной нормы и неравномерностью выдачи, не превышающими 15%.
Технологическая схема дозатора представлена на рисунке 5. Дозатор имеет бункер с выгрузным шнеком и электроприводом.
На наклонных стенках бункера установлены пластины ворошителя, которые через кривошипный механизм соединены с приводом. Производительность дозатора изменяется с помощью вариатора.


При работе в бункер загружают консервант. Включают приводы шнека и ворошителя и настраивают дозатор на заданную производительность. Пластины ворошителя, совершая колебательные движения, подрезают основания сводов, что обеспечивает равномерную подачу материала.
В связи с тем, что шнек и ворошитель имеют раздельные приводы, возможно отключение электропривода ворошителя во время работы шнека при дозировании легкосыпучих материалов.







2.2. Конструктивный расчет дозатора

Выполним основные конструктивные расчеты.
2.2.1. Расчет производительности дозатора
Определим производительность дозатора по формуле:
Qd = Q3 ∙q = 20∙20 = 400 кг/ч = 0,4 т/ч,
где Qδ - производительность дозатора, кг/ч;
Q3 - производительность технологической линии приготовления растительного корма (она равна производительности смесителя), 03 = 20 т/ч;
q - доза внесения консерванта на тонну зерна, примем q = 20 кг/т.

2.2.2 Расчет объема бункера дозатора

Объем бункера дозатора принимаем исходя из суточной потребности в
консерванте.
V = 〖G∙q∙K〗_3/(Д∙ρ) =(400∙20∙1,1)/(28∙760)=0,41 м^3,
где G - сбор зерна за сезон, G = 400 т;
К3 - коэффициент заполнения бункера, примем К3= 1,1;
Д- продолжительность работы пункта в течении сезона, Д= 28 дней;
р - плотность консерванта, примем р = 760 кг/м3.


2.2.3.Расчет размеров бункера дозатора

Определяем основные размеры бункера. Бункер выполнен в форме призмы, в основании которой лежит треугольник. Зададимся углом при вершине а = 60° (исходя из максимального угла естественного откоса консерванта) и шириной бункера В = 1 м. Тогда высота бункера будет равна Н = 0,87 м. Из формулы, связывающей основные конструктивные параметры бункера, выразим его длину:
L =(2∙V)/(B∙H)=(2∙0,41)/(1∙0,87) = 0,94

Принимаем длину бункера L = 1м.

2.2.4. Расчет выгрузного шнека дозатора
Определим необходимый диаметр выгрузного шнека из формулы производительности

Q∂ = (〖π(D〗^2-d^(2)))/4 ∙S∙n∙p∙K_3, кг/с,

где D – диаметр винта, м;
d- диаметр вала винта, примем d = 0,02 м;
S - шаг винта, примем S = 0,1 м;
n - частота вращения винта, примем n = 1,5 с-1,
К3 - коэффициент заполнения рабочего пространства шнека продуктом, примем К3 = 0,9.
Диаметр шнека равен

D =√((4∙Q)/〖π∙S∙n∙p∙K〗_3 ) + d2 = √((4∙0,11)/〖π∙0,1∙0,3∙p∙K〗_3 ) + 0,085 м.



Мощность, необходимая на привод шнека,

Р = КИ∙КПГ∙КСП ∙ g ∙Q∙L = 1,1 ∙ 1,2 ∙ 4 ∙9,81 ∙0,11∙1 = 5,7 Вт,

где:
Ки - коэффициент преодоления инерции при пуске, примем Ки= 1,1;
Кпг - коэффициент сопротивления от перемешивания груза, примем Кпг =1,2;
Ксn - коэффициент сопротивления перемещению, примем Ксп = 4;
g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2;
L - длина перемещения груза, L = 1 м.
Крутящий момент на валу шнека
T =(2∙P)/(π∙n)=(2∙5,7)/(π∙0,3)=12,1 H∙м.
Для привода шнека выбираем мотор-редуктор МП32-31,5-18КУЗ ГОСТ 21356-75 с частотой вращения выходного вала 18 мин-1 (0,3 с-1) и моментом 122,63 Н∙м.

2.2.5 Расчет ворошителя дозатора

Выполним расчет ворошителя.
Определим радиус приложения силы сопротивления перемещению лопасти в массе консерванта:

rn= 1/2 √(r_Л )= 1/2 √0,45=0,34 м,


где rл - радиус лопасти ворошителя, rл = 0,45 м.
Окружная скорость лопасти звездочки в точке приложения окружной
силы сопротивления
v = 〖π∙n∙r〗_n/30=(π∙0,34∙30)/30 = 1,07 м/с,
 
где n- частота вращения лопасти, предварительно принимаем n = 30 мин-1.
Мощность, необходимая на поворот одной лопасти,
NЛ= p ∙s∙v = 20 ∙ 0,0027 ∙ 1,07 = 0,058 кВт = 58 Вт,
где р - удельное сопротивление перемещению лопасти ворошителя, создаваемое дозируемым консервантом, примем р = 20 кН/м2;
s - площадь рабочей грани лопасти ворошителя, s = 0,0027 м2.
Мощность, необходимая на привод ворошителя,
N= (〖z∙N〗_(л∙) к_3)/η^n =(58∙8∙1,1)/〖0,98〗^19 = 749,23 Вт
где z - число лопастей, z = 8;
К3 - коэффициент запаса мощности двигателя, К3 =1,1;
μ - КПД узлов трения ворошителя, примем μ = 0,98;
n - число узлов трения ворошителя, n = 19.
Для привода ворошителя выбираем электродвигатель 4А71В4УЗ ГОСТ 19523-81 с мощностью 750 Вт и частотой вращения выходного вала nэд = 1390 мин-1, и цилиндрический двухступенчатый редуктор Ц2У-100-8-12КУЗ с передаточным отношением nред = 8.
Тогда частота выходного вала редуктора будет равна
n∂ = n_3∂/n_ре∂ =1390/8 = 173,75 мин-1
Привод лопастей ворошителя осуществляется через кривошипы,
установленные на их оси, диск, расположенный на выходном валу редуктора,
и шток, соединяющий кривошипы и диск. За один оборот штока (в одну
сторону) диск повернется на угол π (180°). Тогда время поворота диска равно
t = π/ω=(30∙π)/〖π∙n〗_δ = 30/( n_δ ) = 30/173,75 = 0,17 с.
Скорость штока
ν=L/t = ( 0,05)/0,17 = 0,29 м\с,
где L - ход штока, L = 0,05 м.

Определим частоту вращения кривошипа (лопасти)
n= (30∙ν)/(π∙R)=(30∙0,29)/(π∙0,1) = 27,69 мин-1
где R - радиус кривошипа, R = 0,1 м.
Полученное расчетное значение частоты вращения лопасти не сильно отличается от принятой и, следовательно, привод выбран верно.

2.3. Расчеты на прочность деталей и узлов

2.3.1.Расчет диаметра вала шнека
Рассчитаем наименьший диаметр вала шнека по условию прочности при кручении:

где Т - крутящий момент на валу, Т = 12,1 Н∙м = 12,1∙103 Н∙мм; [τ_к] -допускаемое напряжение на кручение, [τ_к] = 28 МПа.

Примем наименьший диаметр вала шнека равным d = 14 мм.

2.3.2. Расчет и выбор шпонки на валу шнека

Выполним расчет шпонки на валу шнека.
Выбираем шпонку 5x5x50 ГОСТ 23360-78.
Напряжение смятия узких граней шпонки

σсм = 2Т/(d (l-b)( h-t_(1 )) ) ≤ [σ_см] , МПа,


где Т- передаваемый вращающий момент, Т= 12,1∙103 Н∙мм; d-диаметр вала в месте установки шпонки, d = 14 мм; - длина шпонки, = 14 мм; b -ширина шпонки, b = 5 мм; h - высота шпонки, h = 5 мм; tI - глубина паза вала, tI= 3 мм; [σ_cм] - допускаемое напряжение смятия, [σ_cм] = 100 МПа.
Тогда напряжение смятия равно
σсм = (2∙12,1∙〖10〗^3)/(14(14-5)(5-3)) 96,03 МПа.
Проверим условие
σсм≤[σ_cм]
96,03 <100
Таким образом, шпонка выбрана правильно и соответствует условию прочности.


2.3.3. Расчет и выбор фланцевой муфты, соединяющей валы мотор-редуктора и шнека
Для соединения валов мотор-редуктора и вала шнека используем муфту фланцевую 31,5-14-21-28-12 ГОСТ 20761-80. Выполним проверочный расчет этой муфты.
Момент на валу
Тр = К∙Т= 1,4∙ 12,1 = 16,94 ≤ [Т],
где Тр - расчетный вращающий момент, Н∙м;
К - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации, К= 1,4;
[Т] - допускаемый передаваемый крутящий момент, [Т] = 31,5 Н∙м.
Следовательно, Тр< [Т],
16,94 < 31,5 Н∙м, условие выполнено.


2.3.4 Расчет и выбор фланцевой муфты, соединяющей валы электродвигателя и редуктора привода ворошителя
Для соединения валов электродвигателя и редуктора привода ворошителя используем, муфту фланцевую 31,5-19-11-20-12 ГОСТ 20761-80
Выполним проверочный расчет этой муфты. Момент на валу
ТР = К∙Т≤[Т],
где Тр - расчетный вращающий момент, Н∙м;
К - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации,
К = 1,4; Т - крутящий момент на валу двигателя, Н-м;
[Т] - допускаемый передаваемый крутящий момент, [Т] = 31,5 Н∙м.
Крутящий момент на валу электродвигателя привода ворошителя
T =(30∙P)/(π∙n)=(30∙750)/(π∙1390) = 5,15 H∙м,
где Р - мощность электродвигателя, Р = 750 Вт;
n - частота вращения вала, n =1390 мин-1.
Тогда
ТР = К∙T= 1,4 ∙ 5,15 = 7,21,
Следовательно, Тр< [T],
7,21 < 31,5 Н∙м, условие выполнено.

2.3.5. Расчет и выбор подшипников вала выгрузного шнека

Выполним расчет подшипников вала выгрузного шнека. Схема нагрузок, действующих на вал, приведена на рисунке 7.
На вал действуют: крутящий момент Т, сила тяжести FТ, создаваемая лентой и валами, и осевая сила Fa, создаваемая трением продукта о кожух.




Сила тяжести определяется по формуле
FT = m ∙ g = 8 ∙ 9,81 = 78,48 Н,
где m - масса вала и ленты, m = 8 кг.
Осевую силу определим по формуле
Fa = (Q∙g∙L∙f)/ν, H,
где Q- производительность шнекового транспортера,
Q = 0,11 кг/с;
L - длина транспортера,
L = 1,1 м;
f- коэффициент сопротивления перемещению продукта, f = 6;
v - скорость перемещения продукта по кожуху, м/с.
Она находится по формуле
v= р ∙n = 0,1∙1,5 = 0,15м/с,
где р - шаг шнека, p = 0,1 м;
n - частота вращения шнека, n = 1,5 с-1.

Тогда

Fa =(0,11∙9,81∙1,1∙6)/0,15 = 47,48 H.
Определим реакции опор А и В.

Найдем сумму моментов всех сил относительно точки А:
∑MA(Fi) -FT ∙ 0,57 + RB ∙ 1,14 = 0.
Из этого уравнения выразим радиальную реакцию опоры В:
RB = 〖0,57∙F〗_T/1,14 = (78,48∙0,57)/1,14 = 39,24 H
Найдем сумму всех сил, спроецированных на ось у:
∑Fiy = RA-FT + RB = 0.
Из этого уравнения найдем радиальную реакцию опоры А:
RA = FT- RB = 78,48 - 39,24 = 39,24 Н.
Найдем сумму всех сил, спроецированных на ось х:
∑Fix = Fa-XB = 0.
Из этого уравнения найдем осевую реакцию опоры B:
XB = Fa = 47,48 Н.
Для опор вала шнека выбираем конические роликовые подшипники 7203 ГОСТ 333-79.
Определим эквивалентную нагрузку подшипников
P = (X∙V∙Fr+YFa)∙Kб∙ Km,Н,
где Х= 0,4; Y= 1,5
Дальнейший расчет будем вести для наиболее нагруженной опоры – В.
Для нее имеем значения:
Fr = 39,24 H, Fa =47,48 H.
Тогда
P = (0,4∙1∙39,24+1,5∙47,48) ∙1,4 ∙1=121,68 H.


Номинальную долговечность подшипника определим по формуле

Lh = 〖10〗^6/(60∙n) (C/P)P = 〖10〗^6/(60∙90) (14000/121,68) ^(10/3) = 1371,84 ∙〖10〗^6 ч,
где n – частота вращения кольца, n = 90 мин -1 ;
С – динамическая грузоподъемность подшипника, С = 14000 Н;
p- показатель степени, для роликоподшипников p= 10/3.
Полученная расчетная долговечность подшипников значительно превышает требуемую (0,01 ∙ 106 ч). Тем самым обеспечивается большой срок службы подшипников.