Пресове оюладнання / Новий курс лекцій СП / Л 5 Будова і розрахунок шнекового преса / Розрахунок парпметрів шнекового преса

2.4. Розрахунок конструктивно-технологічних і энергосилових параметрів пресових агрегатів

2.4.1. Розрахунок шнекового преса

Незважаючи на багаторічний досвід експлуатації шнекових пресів і аналітичних досліджень їхньої роботи, методики розрахунку головних параметрів, які б повною мірою описували процеси, що відбуваються при формуванні глиняної маси, у даний час не існує. Тому значна кількість пресових агрегатів на підприємствах галузі працюють у режимах, що не відповідають оптимальним умовам експлуатації. Спроби експериментальних рішень поліпшення роботи шнекових пресів не завжди призво­дять до позитивних результатів.

Вирішення проблеми повинно складатися в комплексному дослідженні залеж­ності параметрів процесу від геометричних і кінематичних параметрів шнека в поєд­нанні з геометричними характеристиками елементів, що формують - голівки і мундштука - і з урахуванням фізико-механічних властивостей глиномас. Такий комп­лексний підхід до проблеми розрахунку шнекових пресів розроблений кафедрою механічного устаткування МГСУ ім. В.В. Куйбишева [35, 36, 30]. Сутність цієї мето­дики полягає в наступному:

1. Визначається характеристика елементів преса, що формують, тобто залеж­ність тиску від продуктивності і властивостей маси.

2. Визначається оптимальна геометрія шнека і його характеристики, тобто розраховується продуктивність при різних потрібних для процесу пресування тисках, обумовлених елементами, що формують, і властивостями мас.

3. Визначаються потужність приводу і навантаження на робочі органи преса.

Визначення характеристик елементів, що формують

Картина руху глиномаси в голівці і мундштуці (див. рис. 2.8) має свої особли­вості. Випірна лопать шнека створює на вході в голівку різні швидкості руху глиномаси: максимальну - у стінок голівки і мінімальну - у її осі. При просуванні гли­ни до мундштука картина плину змінюється на обернену. Швидкість стає максималь­ною на осі і мінімальною біля стінок голівки. Профіль швидкостей часток у поздовж­ньому перетині голівки стає параболічним, а загальна картина руху глини відбиває картину прямування в’язких рідин. Плин відбувається за рахунок зсуву тонких прошарків один по одному [30].

Визначення характеристик формуючих елементів преса рекомендується знахо­дити в такій послідовності [35]:

1. Формуючі елементи преса розбиваються на ділянки з таким розрахунком, щоб одержати канали простої геометричної форми (конус, клин, циліндр і т.п.).

2. Для кожної ділянки визначаються коефіцієнти геометричної форми і градієнти швидкостей по формулах, наведених в табл. 2.1.

3. Для цих ділянок знаходяться значення ефективної в’язкості по логічній кривій плину глини (рис. 2. ).

4. Визначається падіння тиску на кожній ділянці по формулі

,

де m - ефективне значення в’язкості, Нс/м²; Q - продуктивність, см³/с; k -константа геометричної форми каналу, м.

5. Підсумовується загальне падіння тиску в каналі.

Розрахунок геометричних параметрів шнека

Розміри і співвідношення зовнішнього діаметра шнека D, діаметра ступиці d, кроку t і кутів підйому гвинтової лінії лопатей шнека суттєво впливають на продук­тивність і нагнітальну спроможність преса є оптимальні співвідношення між цими параметрами, і вихід з цих меж може призвести до значних погіршень характе­ристики шнека тобто він може виявитися замкненим звуженням самого каналу або навпаки не буде спроможний стискати масу. Докладний аналіз впливу геометричних параметрів шнека на його характеристику наведений в [35]. На основі цього аналізу рекомендуються такі співвідношення параметрів шнека.

Зовнішній діаметр кінцевої ланки шнека визначається з її співвідношення

, м

де Q - продуктивність преса, м³/с.

Діаметр ступиці

d = (0,32 - 0,38) D, м

Крок гвинта

t = (0,65...0,78) - D.

Середній діаметр шнека

, м

Кути підйому гвинтової лінії

; ;

; ;

; .

Глибина каналу шнека

.

Ширина каналу шнека

;

;

.

Довжина гвинтової лінії по зовнішньому діаметрі

.

Визначення характеристик шнека

Головною характеристикою шнека є його продуктивність в залежності від тиску на виході.

В гвинтовому каналі шнека матеріал рухається під дією бічних стінок. Швид­кість прошарків матеріалу в міру віддалення від ступиці зростає, досягаючи макси­муму на зовнішньому діаметрі шнека. В зазорі, між внутрішньою поверхнею і лінією гребенів шнека, швидкість падає від максимального значення до мінімуму на стінках циліндра. В залежності від тиску на виході шнека буде виникати потік “відпливу” і “обернений” потік різноманітної інтенсивності (див. рис. 2. ).

Якщо на вихідному отворі циліндра преса встановлена голівка з дуже великим опо­ром (або вихідний отвір цілком перекритий), то вся маса, яка подається, піде обер­неним потоком і буде циркулювати в гвинтовому каналі. Якщо зняти формуючі елементи, то прес буде працювати як транспортуюча машина, не створюючи тиску.

Якщо припустити, що за один оберт гвинта маса, як “тверда гайка”, що утри­мується від обертання, просувається їм уздовж корпуса на один крок, то теоретична продуктивність шнека може бути виражена формулою:

, м³/год.

де D - зовнішній діаметр шнека, м; d - діаметр ступиці шнека, м; t - крок гвинтової лінії на зовнішньому діаметрі, м; n - частота обертання вала шнека, с^-1;  - товщина лопаті шнека, м.

Для того, щоб глина рухалася по каналу шнека, вона повинна одночасно і при­гальмовувати від обертання, і в той же час мати деяку свободу переміщення вздовж вісі преса. Пригальмовування пробки здійснюється силами тертя глини об стінки циліндра, тому за один оберт шнека пробка ніколи не буде перенесена вздовж вісі преса на крок t. Внаслідок провертання маси зі шнеком, вона просувається за один оберт з точки С не в точку А, а в точку В (рис. 2. ). Становище точки В визначається кутом  між напрямком руху глини і площиною, перпендикулярної осі шнека. Проекція гвинтової лінії шнека

Мал. 2. .Схема руху в каналах шнека

,

звідки

.

Відношення

,

називається коефіцієнтом подачі шнека. Встановлено, що коефіцієнт подачі залежить від властивостей глини, геометрії шнека і протитиску в голівці преса.

Величина кута ( може бути визначена за формулою

де

;

де D_ср - середній діаметр шнека, м; f_s - коефіцієнт тертя глини по металу; _ср, _D, _d - кути підйому гвинтової лінії відповідно на середньому, зовнішньому і внутрішньому діаметрі шнека; H - глибина каналу шнека, W_ср, W_D, W_d - ширина каналу шнека на середньому, зовнішньому і внутрішньому діаметрі шнека, м; Z_D - довжина гвинтової лінії ділянки шнека, що розглядається, по зовнішньому діаметрі, м.

Тоді продуктивність преса

,

де К_у - коефіцієнт, що враховує “відплив” маси по зазорах.

Розмір К_у залежить від розміру зазору між гребенями шнека і циліндра, тиску і фізико-механічних властивостіей глиномаси. Для розрахунків його розміру можна приймати К_ =0,12...0,23.

Визначення тиску і навантажень робочих органів шнекового преса

Для розрахунку тисків в каналах шнекового преса розглянемо рівновагу елементарного об’єму глини під впливом зовнішніх сил (рис. 2. ).

Рис. 2. . Схема розрахунку тисків в каналах шнека

Всі сили є функцією тиску, геометричних параметрів шнека і коефіцієнтів тертя. При проектуванні сил на вісь Х отримаємо

Q₁ sin_ + (Q₆ –Q₂) sin_ср + 2Q₃ sin_ср + f_s sin_ср + Q* cos_ср = 0.

Рівняння крутних моментів відносно осі X:

де Q₁ = fPW_DdZ_d - сила тертя з боку циліндра; Q₇ = Q₈ = PHdZ_ср - сила тиску лопатей шнека; О₃ = Q₄ = f_sPHdZ_ср - сила тертя лопатей шнека; Q₅ = f_sPW_dZ_d - сила тертя об ступицю; Q₆ = Q₂ = PW_срН- сила від різниці тиску; fs* - реакція з боку шнека на силу Q₁; f_sQ - сила тертя від сили Q. Вирішуючи приведені вище рівняння щодо тиску Р маємо

Р₁ = P₂ еqZ_D,

де Р₁ - тиск на початку ділянки, що розглядається; Р₂ - тиск в кінці ділянки, що роз­глядається; е - стала натурального логарифма; Z_D - довжина гвинтової лінії шнека по зовнішньому діаметрі; q - показник ступеня, залежить від геометричних параметрів шнека і коефіцієнтів тертя:

Крутний момент на валу шнека може бути визначений із рівняння (2. ). Шнековий вал може розвити тільки такий момент, який спроможний сприймати циліндр преса, що є гальмівною ланкою системи. Елементарний момент від сил тертя на стінках циліндра

.

Підставивши значення Q₁ і проинтегрувавши вираз елементарного моменту в межах аналізованої ділянки, що розглядається, отримаємо

, Нм

де Р_о - початковий тиск на ділянці.

Тоді потужність на валу шнека

N = M , Вт

Осьове навантаження на шнек

де R_еф - зовнішній радіус шнека, м;

,

де r - радіус ступиці, м; _ср = arctg; причому tg чисельно дорівнює f_s.

Приведені розрахункові залежності визначаються при постійних коефіцієнтах тертя. Для одержання більш точних результатів необхідно: зробити розрахунки тиску поетапно, у межах кожного кроку шнека, постійно коректуючи значення коефіцієнтів тертя в залежності від тиску в каналах шнека.