Проектування і розрахунок приводу машини

Міністерство освіти і науки України

Київський національний університет будівництва і архітектури

Кафедра механізації будівельних процесів

Розрахунково-графічна робота

на тему Проектування і розрахунок приводу машини

Виконав ст. гр. ТБКВМ-31

Буханенко С.О.

Перевірив

Сівко В.Й.

Київ 2004

Порядок виконання роботи

Технологічна частина.

Описання технології процесу

Технологічні розрахунки

Підбір обладнання до схеми

Конструктивні розрахунки

Обґрунтування конструкції приводу і його описання

Вибір конструктивних розмірів приводу

Визначення конструктивних навантаження на елементи приводу.

Розрахунок потужності привода машини

Розрахунок вала привода на міцність

Ескізна компоновка приводу (розробка конструкції привода)

Технологічна частина

1.1 Описання технологічного процесу

Процес перемішування різних речовин широко застосовується у багатьох галузях промисловості, в тому числі і в промисловості будівельних матеріалів. В різних технологічних процесах потрібно створити однорідну масу, яка складається із декількох компонентів. В інших випадках необхідно забезпечити максимально повний і рівномірний по всьому об’єму контакт реагуючих компонентів.

Змішування – процес створення однорідних систем шляхом приведення в тісне зіткнення сипких тіл, рідин або газів. Механізм дії процесу змішування є надто складним, залежить від великої кількості факторів і головним чином від конструкції змішувача і режиму його роботи. Змішування складається із 

переміщення груп частинок з одного місця в інше, так званого конвективного змішування

перерозподілу частинок при їх переміщенні – дифузійного змішування;

зосередження частинок в окремих місцях змішувача – сегрегації.

Ідеально внаслідок змішування повинна бути отримана така суміш матеріалу, що в будь-якій її точці (пробі) до кожної частинки одного із компонентів прилягають частинки іншого компонента в кількостях, що визначаються заданим співвідношенням компонентів. Проте таке ідеальна розміщення частинок у суміші в реальних умовах не спостерігається.

Щоб оцінювати якість змішування однієї випадкової величини, суміш умовно вважають двокомпонентною. Для цього із суміші виділяють який-небудь один компонент (основний), решту компонентів об’єднують у другий умовний компонент. За ступенем розподілу основного компоненту в другому умовному компоненті судять про якість змішування.

Розроблено багато формул для розрахунку критерію якості змішування. Найбільшого поширення для оцінки якості змішування набув коефіцієнт неоднорідності (варіації), %

,

де σ – середнє квадратичне відхилення концентрації основного компонента в пробах, %; - середнє арифметичне значення концентрації основного компонента в пробах, %; С_>і> – значення концентрації основного компонента в ί-й пробі; n – кількість проб, відібраних для аналізу.

При виготовлені бетонів та розчинів якість змішування звичайно оцінюється за коефіцієнтом варіації міцності довільних зразків.

Процес приготування бетонної суміші складається з таких основних операцій (рис. 1)

Цемент

Пісок

Щебінь

Вода

Дозатор

Дозатор

Дозатор

Дозатор

Змішувач

Подачі заповнювачів – піску, щебеня (гравію), цементу – у відповідні бункери; відмірювання цих компонентів у необхідних для того чи іншого складу сумішей пропорціях з водою у змішувальну машину, яка перемішує всі компоненти до однорідного рівномірного стану всього об’єму суміші.

Машини й обладнання, що використовуються для приготування бетонної суміші, компонуються в спеціальні установки.

Вданому випадку для приготування бетонної суміші використовується бетонозмішувач безперервної дії.

Компоненти суміші безперервним потоком подаються відповідними дозаторами в корито змішувача, в якому обертаються в різні боки два вали з закріпленими на них лопатями. Лопаті встановлені під певними кутами так, щоб суміш інтенсивно перемішувалася в радіальному напрямку і поступово пересувалася до розвантажувального затвора.

Технологічні розрахунки

Вибір установки залежить від конкретних умов її застосування, що в основному визначається видом змішувальних робіт.

В даному випадку приймаємо продуктивність 30м³/год.

Необхідний сумарний об’єм змішувача визначаємо за формулою, л

,

де П _>у> – річна продуктивність, 259200 м³; n_>ц> – кількість замісів за годину - 5; n_>з> – кількість годин в одній зміні –8 годин; n_>р> – кількість робочих днів за рік 360 днів; k_>з>, k_>р> – коефіцієнт використання машини відповідно за зміну і за рік.(0,9 і 0,85).

980,4л.

Знаючи сумарний об’єм V _>c>, можна визначити кількість необхідних змішувачів

=3

де V _>c> – об’єм, л, змішувача який використовується в схемі установки. Дозувальне та інше необхідне обладнання вибирають залежно від прийнятої змішувальної машини, схеми компоновки вузлів і загальної продуктивності установки.

Об’єм бункерів визначають залежно від запасу матеріалів та їх витрати

,

де - годинна витрата матеріалу; Н_{> з}> – норма запасу матеріалу в бункері ( як правило, беруть Н_{> з} >=2 год.); П_{> г} >– годинна продуктивність установки, м³.

Витрати матеріалів розраховують виходячи із заданого складу у вигляді об’ємних відношень ЦПЩ ( цементу, піску, щебеню), водоцементного відношення В/Ц = 0,5 на приготування необхідної суміші. Витрати цементу, кг/м³

де В – кількість води яку вибираємо з таблиці відповідно до виду бетону який нам потрібно отримати, тобто вибираємо за рухливістю бетонної суміші.

Наступним кроком є визначення кількості крупного заповнювача, в даному випадку як крупний заповнювач вибираємо щебінь. Спочатку визначаємо пустотності щебеню в долях одиницях

.

Далі визначаємо витрату щебеню в кг\м³

=1229,5кг\м³.

Витрату піску на 1м³ суміші визначають за формулою абсолютних об’ємів

=660,8 кг\м³.

1.3 Підбір обладнання до схеми

Вибір технологічного обладнання до даної схеми установки для приготування бетонної суміші залежить від продуктивності установки і від способу приготування бетонної суміші. При цьому використовують допоміжне обладнання – бункери, затвори, живильники.

Бункери являють собою ємності для короткочасного зберігання матеріалів. Їх установлюють у початкових і кінцевих технологічних постах транспортування матеріалу, у місцях перевантаження, а також як проміжні ємності, що забезпечують стабільну роботу обладнання при нерівномірному надходженні матеріалу, або для забезпечення безперервної дії. Для сипучих матеріалів краще застосовувати циліндричні бункери.

Затвори застосовують для перекриття випускних отворів бункерів.

Живильники застосовують для рівномірної видачі матеріалів із бункерів у дозатори, транспортуючі машини та інше технологічне обладнання.

Дозатори застосовують при виробництві бетонних сумішей та будівельних розчинів. Від точності дозування в більшості залежить якість продукції. У виробництві бетонних сумішей помилка дозування, наприклад, не повинна перевищувати для цементу 2%, для заповнювачів 3%.

Дозування матеріалів можна виконувати за об’ємом та за масою. За режимом роботи розрізняють дозатори циклічної і безперервної дії.

За даною продуктивністю та видом матеріалу який потрібно дозувати підбираємо дозатор – АВДЦ1200.

При виробництві бетонної суміші потрібні також дозатори для дозування води. Ці дозатори на циклічної та безперервної дії. До безперервних відносяться об’ємні дозатори.

Для дозування рідини у змішувальних установках використовують дозатори типу ВДБ 250.

2. Конструктивні розрахунки

2.1 Обґрунтування конструкції змішувача і його описання

Горизонтальний двохвальний бетонозмішувач безперервної дії з примусовим перемішуванням призначений для приготування жорстких і рухомих бетонних сумішей, а також штукатурних та інших розчинів. Він входить в склад обладнання бетонозмішуючих установок продуктивністю 5-60 м³/год.

Двохвальний бетонозмішувач складається з металевого корпуса, що монтується на рамі з швелерних балок. В корпусі встановлені два вала з закріпленими на них лопастями, закріпленими по гвинтовій лінії. На кінцях лопасетй посаджені змінні лопатки.

Лопатки при зношуванні кінців можна подовжувати для забезпечення потрібного зазору між кінцем лопатки і корпуса. Для збільшення строку служби робочі грані лопаток наплавляють сталінітом. Корпус змішувача в нижній частині облицьований стальними листами що зменшують зношування. Зверху корпус закритий кришкою.

Готова суміш поступає в накопичувач, при цьому вона може або накопичуватись в ньому або, при відкритому затворі виходити з бетонозмішувача неперервно. Ємність накопичувача близько 0,4м³ .

Затвор накопичувача відкривається під дією пневмоциліндра.

Привод бетонозмішувача складається з двигуна, від якого через клиноремінну передачу а далі редуктор приводиться в рух один з валів. Другий вал отримує обертання від першого через зубчату передачу.

На кожному валу установлюється 30 – 60 лопатей під кутом 40...45^о. Частина лопатей встановлюється під такими кутами, внаслідок чого виникають зустрічні потоки, що сприяє зменшенню швидкості осьового переміщення суміші та створенню зони інтенсивного перемішування.

2.2 Вибір конструктивних розмірів змішувача

Розрахунковими параметрами змішувачів з горизонтальними лопатевими механізмами є продуктивність змішувача П, частота обертання валів ω, потужність двигуна Р та геометричні розміри корпусу – довжина L, ширина В, висота Н, характеристики лопатей – ширина b_>м> , висота h_>м >і відстань суміжними парами (крок).

В даному випадку продуктивність змішувача відома, дорівнює 30м³/год. частоту обертання приймаємо для даної продуктивності n=0,9с^-1

Геометричні параметри змішувачів на основі аналізу розмірів існуючих машин, а також деяких визначень встановлюють за такими співвідношеннями

b _>к>=1,5R; В =b _>к>+2R =3.5R;

h=1.35R; H=h +R=2.35R;

L=4.25R; b_>л>=0,42R;

h_>л>=0.5R; t_>л>=0,7R.

Щодо використання заданих вище залежностей, то необхідно мати значення радіуса R, оскільки продуктивність є величиною заданою, то доцільно визначити радіус R з формули продуктивності, де з невеликим припущенням можна внутрішній радіус лопаті r не враховувати.

,

звідси визначаємо R

=0,3м,

_>>_> >- проекція ширини лопаті на напрямок обертання (якщо ширина лопаті дорівнює 0,01м, а кут нахилу α=40...45^о то проекція буде дорівнювати - _> >=0,1cos45^о=0,0707м.); - коефіцієнт звороту суміші, який залежить від числа лопатей із зворотним кутом їх установки; - коефіцієнт заповнення змішувача ( 0,55...0,60); n- частота обертання лопатей, 0,9с^-1.

Отже знаючи радіус, можна знайти геометричні параметри змішувача

b _>к>=1,5R=1,5·0,3=0,45м; В =b _>к>+2R =3.5R=3,5·0,3=1,05м;

h=1.35R=1,35·0,3=0,405м; H=h +R=2.35R=2,35·0,3=0,705;

L=4.25R=4,25·0,3=1,275м; b_>л>=0,42R=0,42·0,3=0,126м;

h_>л>=0,5R=0,5·0,3=0,15м; t_>л>=0,7R=0,7·0,3=0,21м.

Місткість змішувача у об’ємних одиницях, м³

,

=0,6 – коефіцієнт заповнення змішувача; k_>л> – кількість парних лопатей на кожному валу =18;

=(1,41 ·0,6 ·18·0,3³)=0,4м³.

Знаючи об’єм ми можемо знайти потужність змішувача, кВт, розраховується за формулою двовального змішувача

=27.3 кВт.

2.3 Визначення конструктивних навантажень на елементи приводу

На рух лопаток в бетонній суміші діє сила опору бетонної суміші на лопатку, яка залежить від складу бетонної суміші, її жорсткості та рухливості, а також від заповнення змішувального барабану.

Для розрахунку сили опору на лопатку змішувача є декілька запропонованих формул, кожна з яких може бути використана. наприклад

схема №1.

Візьмемо як приклад схему №1 робочого органа змішувача, що має лопатку з відповідними розмірами. Оскільки колова швидкість лопатки ν є величина змінна і залежить від радіуса обертання лопатки (ν=ω·r, де ω – кутова швидкість лопатки, с^-1), то виділимо елементарну площадку на відстані r і визначимо елементарну силу dP

Тоді повна сила опору, кН

==79кН

Другий підхід до визначення навантаження на лопатку змішувача можна вивести з іншої формули яка використовується для визначення крутячого моменту, що використовується в подальших розрахунках

де r – відстань до середини лопатки від вісі вала; Z – кількість лопаток які знаходяться одночасно в бетонній суміші. З попередньої формули визначаємо Р

.

2.4 Розрахунок потужності привода машини

В загальному випадку момент, необхідний для обертання лопаті

, Н ·м

де k – коефіцієнт опору руху лопаті, Н/м²; b – проекція ширини лопаті на площину, перпендикулярну до напрямку обертання, м; r_>н>, r_>н> – радіус відповідно внутрішньої і зовнішньої кромки лопаті, м.

Для змішувачів з горизонтальними валами, що мають лопаті однакового розміру, потужність двигуна, кВт

,

де ω – кутова швидкість вала, рад/с; Z – число лопатей; η (0,9) – ККД привода.

Таким чином підставивши задані значення параметрів лопатей, знаходимо потужність потрібну для перемішування бетонної суміші

n=0,9 с^-1 частота обертання; k=0,6 - коефіцієнт опору руху лопаті; b=0,0707 – проекція ширина лопаті на площину; r_>н>, r_>н> =0,3. 0,12. - радіус відповідно внутрішньої і зовнішньої кромки лопаті; Z=72;

=2·3,14·0,9·0,6·70(300²-120²)72·0,6/(2000·0,9)=27,3кВт.

2.5 Розрахунок вала привода на міцність

Основними умовами, яким повинна відповідати конструкція вала привода, є достатня міцність; жорсткість, для забезпечення нормальної роботи зачеплень і підшипників; технологічна конструкція і економія матеріалу. В якості матеріалу для валів використовують вуглеводневу леговану сталь. Невідповідальні вали, габарити яких не грають важливої ролі, виготовляють із сталі Ст.5. Для більш відповідальних валів, в тому числі для валів редукторів загального призначення, приймають сталі 45, 50, 40Х, що піддаються термічній обробці. Для відповідальних важко навантажених валів, які повинні мати невеликі габарити, використовують леговані сталі 40ХН, 30ХГС. Термообробка – покращення, закалка ТВЧ. Для дуже відповідальних валів, а також валів які працюють в підшипниках ковзання, використовують також цементуючі сталі – 20Х, 20ХН, 12ХНЗА, 18ХГТ та ін.

Розрахунок вала виконується в чотири етапи орієнтовний розрахунок на кручення; розрахунок на складний опір (кручення зі згином); перевірка запасу міцності на витривалість в найбільш небезпечних перерізах; перевірка жорсткості вала.

Розрахунок вала на кручення виконують перед складання першої компонованої схеми привода и редуктора.

Для розрахунку вала на складний опір необхідно скласти його розрахункову схему розмістити точки, в яких розміщені умовні опори, визначити величину і напрямок діючих на вал сил, а також точки їх прикладання.

В більшості випадків використовують двопорні вали. Опору, що сприймає радіальні і осьові навантаження, вважають шарнірно нерухомою, опору, яка сприймає тільки радіальні навантаження – шарнірно-рухомою. При застосуванні в опорі одного шарикового або роликового підшипника, розрахункову точку опори розміщують посередині ширини підшипника. При радіально-упорному підшипнику радіальна реакція вважається прикладеною до валу в точці перетину його геометричної осі і прямої, проведеної через центр шарика і середину ролика під кутом (90^о – α) до осі підшипника, де α – кут контакту, вказаний в каталозі підшипників. Відстань а між точками прикладення реакції і широким торцем зовнішнього кільця підшипника приблизно може бути знайдений по таким формулам для однорідних шарикових радіально-упорних підшипників а=,

Для однорядних конічних роликових підшипників

,

де е=1,5tgα. Розміри D,d, B, Т см. За довідником.

Після складення розрахункової схеми вала будують епюри приведених моментів в різних площинах, сумарних згинаючих моментів, крутячих моментів, епюр приведених моментів.

Після побудови епюри згинаючих моментів в двох взаємно перпендикулярних площинах х, у будують епюру сумарних згинаючих моментів

,

При побудові епюр приведених моментів використовують 3-ю і 4-у гіпотези міцності. На основі третьої гіпотези міцності приведений момент визначають за залежністю

.

Коефіцієнт α враховує різницю в характеристиках циклів напруження згину і кручення. Напруження згину у валі знакозмінне симетричне, характеристика циклу якого r=-1. α=1.