ВВЕДЕНИЕ
Тепловая сушка, илипросто сушка, представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажныхматериалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка являетсянаиболее распространенным способом удаления влаги из твердых и пастообразных материалов.Типовой сушильный аппарат может быть использован для сушки различных продуктов,сходных по своим структурно-механическим свойствам, но различающихся химическимсоставом, содержанием влаги, ее связью с материалом, допустимой температуройнагрева и временем сушки. Поэтому выбор сушильного аппарата в каждом конкретномслучае определяется расчетом.
Барабанные конвективныесушилки находят широкое применение в промышленности для сушки кусковых,кристаллических, зернистых, порошкообразных материалов, как правило, вкрупнотоннажных производствах, что обусловлено экономичностью, большойпроизводительностью одного аппарата, высокой надежностью в эксплуатации.
Одним из основныхтребований, предъявляемых к сушилкам, является обеспечение полного сохранения,а в необходимых случаях и улучшения качества продукта в соответствии с егоназначением. В связи с этим, конструкция сушилки должна, прежде всего, обеспечиватьравномерный нагрев и сушку материала при надёжном контроле температуры ивлажности его в процессе сушки. При этом должны быть исключены потери вещества,связанные с его уносом с отработавшим агентом сушки.
Реализацию этихмероприятий можно осуществить за счёт новых конструкционных решений,автоматизированных методов расчёта, перспективных материалов повышенной прочности,новых экономических профилей проката и т.п.
В данном проекте ставитсязадача расчета оптимальной конструкции барабанной конвективной сушилки длясушки сахарного песка, позволяющей эффективно решать проблему ее комплекснойпереработки.
1 КОНСТРУКЦИЯ БАРАБАННОЙСУШИЛКИ
1.1 Назначение барабаннойсушилки
Проектируемаябарабанная конвективная сушилка предназначена для сушки сахарного песка свлажностью
/>
доконечной влажности
/>
1.2 Описание конструкциибарабанной сушилки
Основнойэлемент барабанной сушилки (рисунок 2) — сушильная камера — представляет собойнаклонный цилиндрический сварной вращающийся барабан 1, на корпус которогонадеты два бандажа 10 и зубчатый венец 7.
Бандажамибарабан опирается на свободно вращающиеся ролики, установленные на рамкахопорной 4 и опорно-упорной станций 5. Два упорных ролика на раме опорно-упорнойстанции ограничивают осевое смещение барабана. Барабан вращается вокруг своейоси со скоростью 0,5...8 об/мин. Вращение барабану передаётся от электродвигателя15 через редуктор 16, смонтированных на общей раме (приводная станция 6), изубчатую передачу. Зубчатая передача закрыта кожухом 9.
По обоимконцам барабана устанавливают камеры, необходимые для загрузки 2 и выгрузкиматериала 3, а также для подвода и отвода сушильного агента. Сочленениевращающегося барабана с загрузочной и разгрузочной камерами осуществляетсячерез ленточные уплотнения 14, которые предотвращают большие подсосы воздухаизвне и уменьшают расход энергии на вентилятор. У одного из концов вращающегосябарабана устанавливается питающее устройство, а у другого — разгрузочноеустройство для ввода и вывода из аппарата обрабатываемого твёрдого вещества.
Внутрикорпуса со стороны загрузочной камеры на длине, равной 800мм, размещаетсяраспределительная, насадка 12 в виде шести винтовых лопастей, за которой навсём протяжении барабана располагается основная насадка 13. Насадкиспособствуют равномерному распределению и перемешиванию высушиваемого материалапо сечению барабана, а также его тесный контакт с сушильным агентом припересыпании. Форма основной насадки соответствует свойствам высушиваемогоматериала. Для хорошо сыпучих материалов с частицами средним размером менее 2мм, к которым, в частности, относится и сахарный песок, в качестве основнойнасадки применяют подъемно-лопастную насадку, исходя из свойств высушиваемогоматериала.
У разгрузочного концабарабана имеется подпорное устройство, назначение которого состоит вподдержании определенной степени заполнения барабаном материала.
/>
/>
/>
1-корпус;2-загрузочная камера; 3-разгрузочная камера; 4-опорная станция;5-опорно-упорная станция; 6-приводная станция; 7-венцовая шестерня;8-подвенцовая шестерня; 9-защитный кожух; 10-бандаж; 11-течка;12-распределительная насадка; 13-подъёмно-лопастная насадка; 14-ленточное уплотнение;15-электродвигатель; 16-редуктор.
Рисунок2 — Барабанная сушилка
Рассмотрим конструкциюосновных элементов барабана подробнее.
Бандажи.
Бандажи служат дляпередачи давления от веса всех вращающихся частей аппарата на опорные ролики.Бандажи представляют собой кольца прямоугольного сечения. В проектируемойбарабанной сушилке применяется свободное крепление бандажей из-за возможногозначительного теплового расширения барабана. Кроме того, свободно надетыебандажи являются наиболее экономичными. При этом бандажи надеваются на башмаки,повернутые головками в разные стороны для предупреждения аксиального смещениябандажей. Бандаж надевается не непосредственно на кожух, а между ними прокладываютсяподкладка и от одной до трёх прокладок толщиной 10… 20 мм каждая, которыеобразуют кольцо жёсткости, не допускающее смятие кожуха в местах опоры.Подбором толщины регулирующих подкладок достигается совмещение центров барабанаи бандажа. Башмаки крепятся к барабану сваркой.
Опорные ролики.
Роликиопорных станций принимают на себя нагрузку от веса всех вращающихся частей.Ролики закрепляются на валу, лежащем в двух подшипниках. Подшипники роликовделаются скользящими перпендикулярно к оси сушилки и соответственноустанавливаются на салазках. Причина этого в следующем. При двух бандажахпоследние должны опираться в четырёх точках, что не всегда легко осуществитьбез регулировки положения подшипников. Кроме того, износ роликов или возможнаяосадка фундамента под одним и бандажей может привести к частичной разгрузкеодних роликов за счёт других. Наличие скользящих подшипников даёт возможностькомпенсировать все указанные недостатки. Подшипники каждого роликаустанавливаются на одной общей раме, сваренной из фасонных профилей, покрытойстальными листами. Прорези в последних для болтов подвижных подшипниковделаются продолговатыми. Кроме того, подвижные подшипники упираются в упорныеболты.
Венцовые шестерни.
Передачавращающего момента от мотора через редуктор к барабану осуществляется с помощьюцилиндрической зубчатой передачи. Вращение передаётся от малой шестерни,сидящей на выходном валу редуктора, к основной, так называемой венцовойшестерне, смонтированной на барабане. Она представляет собой весьмаответственную деталь, работающую при высоких напряжениях. Венцовая шестерняотливается из двух половин, соединяемых призонными болтами. В виду отсутствияопасности появления больших температурных напряжений венцовая шестерня крепитсяжёстко к корпусу барабанной сушилки. Центрирование венца производится с помощьюрегулирующих подкладок, помещённых между шестерней и башмаками.
Башмакикрепятся к барабану болтами (что несколько облегчает смену венца) с простымиголовками, размещёнными с внутренней стороны барабана.
1.3 Выбор конструкционныхматериалов
Средавнутри барабанной сушилки представляет собой паро-воздушную смесь. Процесспротекает при температуре 60-120 °С при атмосферном давлении. Тогда всоответствии с [3] выбираем материал для барабана сушилки и конструктивныхэлементов, которые непосредственно контактируют со средой при температуре невыше 300°С,-сталь СтЗспЗ ГОСТ 380-94.
СтальСтЗспЗ — это углеродистая сталь обыкновенного качества. Сталь в заданной средепри рабочих параметрах химически и коррозионно-стойка, обладает хорошей свариваемостью,хорошими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях,допускает холодную и горячую механическую обработку, весьма распространенна впищевой промышленности, и, значит, не является дефицитной.
Бандажиизготавливают из качественных углеродистых сталей для того, чтобы обеспечитьдолговечность, так как смена бандажей барабанов чрезвычайно трудна. По [3]выбираем сталь 35Л ГОСТ 977-86 применяемую для изготовления деталей, к которымпредъявляются требования повышенной прочности и высокого сопротивления износу,работающих под действием средних статических и динамических нагрузках. Отливкиподвергаются термообработке: улучшение (нормализация при температуре 860...880°С и отпуск при температуре 600...630 оС [3]). Стальфлокенонечувствительная и не склонна к отпускной хрупкости [3].
Венцоваяшестерня представляет собой весьма ответственную деталь, работающую при высокихнапряжениях. Поэтому венцовые шестерни отливаются из стали и зубья ихфрезеруются. По [3] выбираем сталь 45Л ГОСТ 977-86 применяемую для изготовлениядеталей, к которым предъявляются требования повышенной прочности и высокогосопротивления износу, работающих под действием средних статических идинамических нагрузок. Сталь флокеноночувствительная и не склонна к отпускнойхрупкости [3]. Твёрдость рабочих поверхностей зубьев венцовой шестерни ННв2=235...262НВ, подвенцовой шестерни Ннв1=269...302 НВ [7]. Для обеспечения требуемойтвёрдости рабочих поверхностей зубьев колёса и шестерни назначается термообработка-улучшение(нормализация при температуре 860...880 оС и отпуск при температуре600...630 °С [3]). Применение шестерён с твёрдостью ННв
Роликиизготавливаются из материала менее прочного, чем бандаж. Ролики лишь вответственных случаях делаются стальными, обычно же отливаются из чугуна и потомобтачивают. Применение более мягкого материала и большее число оборотов роликаприводят к ускоренному износу и меньшей долговечности роликов по сравнению сбандажами. Такое нарушение принципа равнопрочности делается сознательно. Дело втом, что смена бандажа или даже его проточка чрезвычайно трудоёмки и требуютдлительных остановок вращающихся барабанных аппаратов, не говоря уже о том, чтобандажи стоят дорого. Выгоднее сохранить бандаж и обеспечить его долговечность.Смена же изношенных роликов гораздо более проста, да и сами ролики намного дешевлебандажей. В соответствии с рекомендациями принимаем чугун СЧ 20 ГОСТ 1412-85.
Валыпредставляют собой детали к несущей способности и долговечности цапфпредъявляются повышенные требования, поэтому в качестве материала вала и осейпринимаем средне-углеродистую низколегированную сталь с улучшением 40Х ГОСТ4543-71 [3]. Твёрдость рабочих поверхностей вала ННв=212… .248 НВ.Для обеспечения требуемой твёрдости рабочих поверхностей вала назначаетсятермообработка, закалка при температуре 840...860 оС в масле ивысокий отпуск при температуре 550… .600 °С с охлаждением на воздухе [3]).
Вкачестве материала крепёжных деталей в виде болтов, шпилек, гаек и другихдеталей, предназначенных для закрепления аппарата на опорах, различных узлов идеталей, принимаем конструкционную углеродистую сталь — сталь 35 ГОСТ 1050-74.
Вкачестве материала ленточного уплотнения места сопряжения сушильного барабана скамерами загрузки и выгрузки принимаем резину листовую техническую по ГОСТ7338-77
2 РАСЧЕТ БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ
2.1 Технологическийрасчет
2.1.1 Цель расчета
Целью технологическогорасчета барабанной сушилки является:
— выбор стандартнойбарабанной сушилки, удовлетворяющей исходным параметрам;
— определение расходныххарактеристик и скоростей газа;
— определение частотывращения барабанной сушилки.
2.1.2 Данные для расчета
производительность поготовому продукту/>;
влажность продукта:
начальная />;
конечная />;
температура воздуха:
на входе />;
на выходе />;
температура продукта:
начальная />;
конечная/>;
плотность частиц продукта/>;
средняя насыпнаяплотность />;
средний размер частиц />;
удельная теплоемкостьпродукта />;
напряженность барабана поиспаренной влаге />.
2.1.3 Выбор режима сушкии варианта сушильного процесса
Для создания оптимальныхусловий сушки сахарного песка выбираем принцип параллельного движения материалаи агента сушки. При этом можно работать с повышенной начальной температуройагента сушки, так как в первый период сушки температура материала равнатемпературе мокрого термометра. В аппарате с параллельным током достигаетсявысокая интенсивность процесса сушки и минимальные затраты тепла иэлектрической энергии на вентиляцию. Кроме того, материал сохраняет начальныесвойства, так как в процессе его сушки не перегреваются даже самые мелкиечастицы.
Сушку сахара в барабанномсушильном аппарате при относительно невысокой начальной температуре и влажностиагента сушки осуществляем по нормальному (основному) сушильному варианту.
Так как температура сушкиневысока и присутствие кислорода не влияет на свойства сахарного песка, вкачестве агента сушки, выполняющего роль, как теплоносителя, так ивлагоносителя, используем нагретый воздух. Сушка чистым воздухом сохраняеткачество сахара.
2.1.4 Определение и выборосновных расчетных параметров
Принципиальная схемасушильной установки приведена на рисунке 3.
Рассчитаем сушилкуаналитическим методом.
/>
Рисунок 3. Принципиальнаясхема сушильной установки 1 – калорифер; 2 – сушилка.
Параметры наружноговоздуха.
Для поддержанияопределенного режима сушки необходимо знать основные параметры наружноговлажного воздуха: температуру />, относительную влажность />, удельноевлагосодержание /> и энтальпию />.
Принимаем температуруокружающего воздуха /> с относительной влажностью />, согласно [4,стр.521, табл.XL]. Полагая, что барометрическоедавление в данной местности /> (99,3 кПа), определяеманалитически /> и />.
Удельное влагосодержаниевоздуха, поступающего в калорифер:
/>; (3.1)
Где 0,622 – отношениемольных масс водяного пара и воздуха;
/> - давление насыщенного водяногопара при температуре наружного воздуха />, Па; по [4, с.531, табл. LVX] />.
В численном значенииполучаем:
/>
Энтальпия наружноговоздуха:
/>; (3.2)
Где /> — средняя удельнаятеплоемкость сухого воздуха;
/> согласно;
/> — средняя удельная теплоемкостьводяного пара; /> согласно;
/> - удельная теплотапарообразования воды при 0 0С; />, согласно.
В численном значенииполучаем
/>
Параметры воздуха навыходе из калорифера.
Состояние воздуха навыходе из калорифера характеризуется следующими параметрами: температура />; удельноевлагосодержание воздуха /> сухого воздуха; энтальпия воздухана выходе из калорифера />
/>; (3.3)
/>
Параметры воздуха навыходе из сушилки.
Состояние воздуха навыходе из калорифера характеризуется следующими параметрами: температура />; дополнительнозадаемся />,тогда удельное влагосодержание воздуха на выходе из сушилки равно:
/>; (3.4)
Где /> - давление насыщенноговодяного пара при температуре />, Па; по />.
В численном значенииполучаем
/>.
Энтальпия воздуха навыходе из сушилки:
/>; (3.5)
/>.
Тогда изменениевлагосодержания воздуха составит:
/>; (3.6)
/>
2.1.5 Расчет количестваиспаряемой влаги и уноса материала
Производительностьсушильной установки и количество удаляемой влаги определяют из материальногобаланса для потока высушиваемого материала. Обозначив через /> и /> расходы исходного ивысушиваемого материала (конечного продукта), /> и /> - их влажности, а через /> - расходудаляемой из материала влаги, получим материальный баланс в форме системы издвух уравнений
/>; (3.7)
Решая данную системууравнений, сначала определяем производительность сушильной установки поисходному продукту:
/>; (3.8)
/>;
Определяемпроизводительность сушильной установки по испаряемой влаге:
/>; (3.9)
/>
2.1.6 Расчет расходатеплоты и воздуха
В процессе сушки влага изпоступающего в сушильную камеру продукта испаряется и уносится воздухом. Приэтом влагосодержание воздуха увеличивается от начального /> до конечного />. Массаабсолютно сухого воздуха при достаточной герметичности сушильной камерыпрактически остается неизменной. Из материального баланса для газовой фазы
/>; (3.10)
определяем расходабсолютно сухого воздуха в сушильной установке:
/>; (3.11)
/>
Удельный расход абсолютносухого воздуха на 1 кг влаги равен:
/>; (3.12)
/>.
Объемный расход воздухана входе в сушилку:
/>; (3.13)
Где /> - плотность воздуха навходе в сушилку при температуре />,
определяется по формулесогласно [4, стр.29]:
/>; (3.14)
Где /> - плотность воздуха принормальном условии;
/> - барометрическоедавление.
В численном значенииполучаем:
/>
/>
Объемный расход воздухана выходе из сушилки:
/>; (3.15)
Где /> - плотность воздуха навыходе из сушилку при температуре />, />определяем аналогично формуле(3.14).
В численном значенииполучаем
/>
Расход тепла на нагреввоздуха в калорифере:
/>; (3.16)
/>
Удельный расход тепла наподогрев воздуха в калорифере в расчете на 1 кг влаги:
/>; (3.17)
/>
2.1.7 Определениеосновных размеров сушильного барабана
Объемное напряжениесушилки по испарившейся влаге />, следовательно рабочий объембарабана находим по формуле:
/>; (3.18)
/>.
Требуемое поперечноесечение барабана
/> (3.19)
Где /> - коэффициентзаполнения барабана материалом согласно [5, стр.232], принимаем />;
/> - коэффициент заполнения барабананасадкой;
/> - максимально допустимая скоростьгазов в аппарате при насыпной плотности материала />, начальной влажности /> принимаем />.
В численном значенииполучаем
/>
Рассчитываем диаметрбарабана:
/>; (3.20)
/>;
Выбираем толщину стенкибарабана — />,согласно [5, стр.233] и принимаем />.
Определяем наружныйдиаметр барабана:
/>; (3.21)
/>.
Длина барабана составит
/>; (3.22)
/>
Согласно каталожным данным[5, табл.6.5, стр.231] ближайший типоразмер – барабанная сушилка БН 1,6-8 НУ-01имеющая наружный диаметр /> и длину барабана />.
Уточняем характеристикубарабана:
внутренний диаметр:
/>; (3.23)
/>.
площадь поперечногосечения:
/>; (3.24)
/>.
объем:/>; (3.25)
/>.
Напряжение барабана поиспаренной влаге:
/>; (3.26)
/>.
Определим диаметрыштуцеров подвода и отвода сушильного агента.
Внутренний диаметртрубопровода для подвода сушильного агента:
/>; (3.27)
Где /> - скорость перемещаемойсреды для воздуха, перемещаемого под небольшим давлением (от вентилятора),принимаем />.
В численном значенииполучаем:
/>
Внутренний диаметртрубопровода для отвода сушильного агента:
/>; (3.28)
/>.
Полученные значенияокругляем до стандартных в соответствии с [9, стр.214]: для подвода сушильногоагента />,для отвода сушильного агента />.
Для присоединения каппарату трубопровода и отвода сушильного агента принимаем фланцы стальныеплоские приварные с соединительным выступом [9, стр. 214]: для подводасушильного агента с условным диаметром /> на условное давление />; для отводасушильного агента с условным диаметром /> на условное давление
Внутренний диаметртрубопроводов для загрузки высушиваемого материала:
/>; (3.29)
Где /> - скорость подачи иотвода сахарного песка, принимаем />.
В численном значенииполучаем
/>.
Внутренний диаметртрубопроводов для выгрузки высушиваемого материала
/>; (3.30)
/>.
Исходя из технологическихи конструктивных соображений принимаем диаметр трубопроводов для загрузки ивыгрузки высушиваемого материала [9, стр. 214]: />. Диаметр трубопровода для отводаизлишков высушиваемого материала принимаем />.
Для присоединения каппарату трубопроводов загрузки и выгрузки, а также удаления излишков высушиваемогоматериала, принимаем фланцы стальные плоские приварные с соединительнымвыступом [9, стр.214]: условным диаметром /> на условное давление />.
Определяем действительнуюскорость воздуха в барабане:
/>; (3.31)
/>.
Рассчитываем времяпребывания материала в барабане сушилке по формуле
/>; (3.32)
/>
Проверяем расчет временисушки.
Среднее время пребыванияматериала в барабане:
/>; (3.33)
/>
Полученное времяпребывания материала в барабане чуть больше, чем время сушки материала, что удовлетворяетусловиям сушки.
Уточним коэффициентзаполнения барабана материалом:
/>; (3.34)
/>
Для условий прямоточногодвижения газа и материала можно принять следующие значения коэффициентов вформуле (3.35), согласно [5, стр.235]: />; />. Предварительно задаемся угломнаклона барабана />, тогда требуемая частота вращения:
/>; (3.35)
/>
Принимаем ближайшую длятиповой сушилки частоту вращения />согласно [5, табл.6.5, стр231],тогда требуемый угол наклона барабана:
/>; (3.36)
/>
Значение /> удовлетворяет условию />, следовательночастота вращения барабана принята верно.
2.2 Энергетический расчет
2.2.1 Цель расчета
Определение основныхсиловых параметров барабанной сушилки, то есть моментов и требуемой мощностипривода; выбор электродвигателя, редуктора.
2.2.2 Определениепотребной мощности и выбор электродвигателя
Определяем мощность,затрачиваемую на вращение барабана:
/>; (3.44)
Где /> - коэффициент,зависящий от типа насадки и коэффициента заполнения, принимаем согласно [5,стр.235].
В численном значенииполучаем:
/>,
Полученное значениеменьше установленной мощности привода сушилки БН 1,6-8 НУ- 01, равной />, согласно [5,табл.6.5, стр.231].
Необходимая мощностьдвигателя определяется по выражению:
/>; (3.45)
Где /> - общий к.п.д. приводаот двигателя до барабана.
/> , (3.46)
где: h1=0,94÷0.96 — КПД цилиндрической передачи,принимаем h1=0,95 согласно [7, табл.1.1];
h2=0.962÷0,982 — КПД 2-хступенчатого редуктора, принимаем h2=0,972согласно [7, табл.1.1];
h3=0,98 — КПД муфты, принимаем согласно [7, табл.1.1].
В численном значенииполучаем:
/>;
/>
Выбираем трехфазныйасинхронный двигатель серии АИР 180М6 мощность – 18.5 кВт, синхронная скоростьвращения – 1000 об/мин, скольжение – 2%. С учетом скольжения номинальнаячастота вращения />.
2.2.3 Определениевращающих моментов на валах привода
Вращающий момент набарабане:
/>; (3.47)
/>
Вращающий момент на валуподвенцовой шестерни:
/>; (3.48)
Где /> - передаточное числозубчатой передачи, принимаем />.
В численном значенииполучаем:
/>
2.3 Кинематический расчет
2.3.1 Цель расчета
Целью кинематическогорасчета барабанной сушилки является определение общего передаточного отношенияот вала электродвигателя до вала ведущего звена исполнительного механизма;распределение общего передаточного отношения всей кинематической цепи приводамежду отдельными передаточными механизмами, составляющими цепь; определениеконструктивных параметров зубчатой передачи барабанной сушилки; определениечастот вращения валов передаточных механизмов кинематической цепи.
2.3.2 Определениепередаточного числа привода
Кинематическая схемапривода показана на рисунке 5.
Общее передаточное числопривода определяем из соотношения:
/>; (3.49)
Где /> - частота вращения барабана;
/>
/>
1- электродвигатель; 2,4-муфты; 3- редуктор; 5- подвенцовая шестерня; 6- венцовая шестерня; 7- барабан;
Рисунок 5. Кинематическаясхема привода
2.3.3 Распределениеобщего передаточного числа привода
Для многоступенчатыхпередач
/>, (3.50)
Где /> - передаточные числаотдельных ступеней.
Учитывая предполагаемоеустройство механизма, а также стремясь обеспечить соразмерность деталейпривода, в частности диаметр подвенцовой шестерни должен вписываться в размерысторон торца редуктора.
Передаточное числоредуктора будет равно:
/>; (3.51)
/>
2.3.4 Определение частотывращения валов
Частота вращения валаэлектродвигателя, а, следовательно, и быстроходного вала редуктора />.
Частота вращениятихоходного вала редуктора определяется так:
/>; (3.52)
/>.
Частота вращенияподвенцовой шестерни />.
Полученные значениячастот вращения сведены в таблицу 3.
Таблица 3 – Частотывращения валов (барабана)
Вал электродвигателя />
Быстроходный вал />
Тихоходный Вал />
Подвенцовая шестерня />
Барабан /> 980 980 64,22 64,22 6,42
2.3.5 Проектный расчетзубчатой цилиндрической передачи
2.3.5.1 Определениедопускаемого контактного напряжения
Расчет ведем по [7].
Допускаемое контактноенапряжение определяется по зависимости
/>; (3.53)
Где /> - предел контактнойвыносливости зуба, соответствующий эквивалентному числу циклов, МПа;
/> - коэффициент безопасности; длязубчатых колес с однородной структурой материала /> [7, стр. 33];
/> - коэффициент, учитывающийшероховатость сопряженных поверхностей зубьев, для зубчатых передач 9 степениточности />;
/> - коэффициент, учитывающийокружную скорость; при /> />;
/> - коэффициент, учитывающийвлияние смазки; из-за недостаточности экспериментальных данных принимаетсяравным единице, />;
/> - коэффициент, учитывающий размерзубчатого колеса; ориентировочно принимаем />, />
Предел контактнойвыносливости зуба, соответствующий эквивалентному числу циклов:
/>; (3.54)
Где /> - допускаемоеконтактное напряжение, соответствующее базовому числу циклов напряжений;
/> - коэффициент долговечности прирасчете на контактную выносливость.
Допускаемое контактноенапряжение, соответствующее базовому числу циклов напряжений:
/>; (3.55)
Где /> - средняя твердость длядвух предельных значений твердости колес, приняты в пункте 2.3.
В численном значенииполучаем:
/>;
/>.
Коэффициент долговечностипри расчете на контактную выносливость:
/>; (3.56)
Где /> - базовое число цикловперемены напряжений соответствующее длительному пределу выносливости;
/> - эквивалентное число цикловперемены напряжений.
Базовое число цикловперемены напряжений соответствующее длительному пределу выносливости:
/>; (3.57)
/>;
/>.
При постоянной нагрузке изацеплении с одним колесом:
/>; (3.58)
Где /> - полное число часовработы за расчетный срок службы, принимаем />;
/> - частота вращения.
В численном значенииполучаем:
/>;
/>.
Так как />, то />.
/>.
Предел контактнойвыносливости зуба, соответствующий эквивалентному числу циклов по формуле(3.54)
барабанныйконвективный сушилка сахарный
/>;
/>.
Подставляя полученныезначения в формулу (3.53) получим:
/>;
/>.
Для прямозубых колес вкачестве /> принимаетсядопускаемое контактное напряжение того зубчатого колеса, для которого ономеньше. Таким образом
/>
2.3.5.2 Определениемежосевого расстояния
Определяем межосевоерасстояние венцового зацепления по формуле
/>; (3.59)
Где /> - крутящий момент нашестерне;
/> - коэффициент, учитывающийраспределение нагрузки по ширине;
/> - вспомогательный коэффициент,для прямозубых передач />;
/> - коэффициент ширины колесотносительно межосевого расстояния; принимаем />.
Коэффициент /> выбираем взависимости от относительной ширины зубчатого венца шестерни />:
/>; (3.60)
/>.
Тогда в соответствии с[7, табл.3.5, стр. 32]/>.
Значение межосевогорасстояния по формуле (3.59):
/>.
Согласно [7, стр. 30]полученное значение округляем до ближайшего стандартного значения />.
2.3.5.3 Определениемодуля передачи
Значение модуля m для улучшенных колес определяется изследующего выражения:
/>; (3.61)
/>.
Согласно [7, стр. 30]принимаем стандартное значение модуля />.
2.3.5.4 Суммарное числозубьев
Суммарное число зубьев:
/>; (3.62)
/>.
2.3.5.5 Число зубьевшестерни и колеса
Число зубьев шестерни:
/>; (3.63)
/>.
Значение z1 округляем в ближайшую сторону до целого числа. Принимаемz1=18.
Число зубьев колесаопределяем по формуле:
/>; (3.64)
/>.
2.3.5.6 Фактическоепередаточное число
Находим фактическоепередаточное число:
/>; (3.65)
/>.
Отклонение фактическогопередаточного от номинального
/>
что допустимо [7, стр.30].
2.3.5.7 Расчет основныхгеометрических параметров
Определяем делительныйдиаметр шестерни:
/>; (3.66)
/>
Определяем делительныйдиаметр колеса:
/>; (3.67)
/>.
Определяем диаметрначальной окружности шестерни:
/>; (3.68)
/>.
Определяем диаметрначальной окружности шестерни:
/>; (3.69)
/>
Определяем диаметрокружности вершин шестерни:
/>; (3.70)
где: у – коэффициентвоспринимаемого смещения
/>; (3.71)
Где а – делительноемежосевое расстояние
/>;
/>;
Определяем диаметрокружности вершин колеса:
/>; (3.72)
/>.
Определяем диаметр впадинзубьев шестерни:
/>; (3.73)
/>.
Определяем диаметр впадинзубьев колеса:
/>; (3.74)
/>.
Рабочая ширина венцашестерни:
/>; (3.75)
/>.
Высота зуба
/>; (3.76)
/>.
2.3.5.8 Определениеокружной скорости и назначение степени точности
Окружная скоростьшестерни определяется по формуле:
/>; (3.78)
/>.
Руководствуясь [7,табл.3.8, стр. 36] для открытых тихоходных передач с пониженным требованием точностис /> назначается9 степень точности.
2.3.5.9 Основныепараметры шестерни и колеса
Модуль зацепления />;
Число зубьев: подвенцовойшестерни />;
Венцовой шестерни />;
Нормальный исходныйконтур по СТ СЭВ 308 – 76
Коэффициент смещения:подвенцовой шестерни />;
Венцовой шестерни />;
Делительный диаметр:подвенцовой шестерни />;
Венцовой шестерни />;
Начальный диаметр:подвенцовой шестерни />;
Венцовой шестерни />;
Диаметр вершин зубьев:подвенцовой шестерни />;
Венцовой шестерни />;
Диаметр впадин зубьев:подвенцовой шестерни />;
Венцовой шестерни />;
Межосевое расстояние />;
Ширина зубчатого венца />;
Высота зуба />;
Степень точности />.
2.4 Прочностной расчет
2.4.1 Цель расчета
Целью данного расчетаявляется проверка корпуса барабана на прочность, жесткость при известныхгеометрических размерах и характеристик материалов, а также расчет размеровбандажа и опорных роликов исходя из условий прочности.
2.4.2 Исходные данные длярасчета
Внутренний диаметрбарабана />;
Наружный диаметр барабана/>;
Длина барабана />;
Расстояние от края добандажа />;
Расстояние междубандажами />;
Расстояние от бандажа довенцовой шестерни />;
Масса продукта,находящегося в барабане />;
Масса корпуса барабана снасадкой />;
Диаметр опорного ролика />;
Угол между опорнымироликами />;
Угол наклона барабана кгоризонту />;
Материал корпуса барабанаСтЗспЗ;
Материал бандажа 35Л;
Материал опорных роликов СЧ20.
Все размеры представленына рисунке 8.
2.4.3 Определение реакцийопор и изгибающего момента в опасном сечении
Расчет ведем по [8].
Схема распределениянагрузок, действующих на барабан, приведена на рисунке 6.
Записываем силы,действующие на барабан в направлении оси ОХ и сумму моментов относительно точкиВ:
/> />; (3.79)
Где /> - реакция опоры левогобандажа;
/> - реакция опоры правого бандажа;
/> - сила, действующая на барабан вместе установки венцовой шестерни, /> [8, табл.3.29, стр. 260].
/>
Рисунок 6. Эпюрыпоперечных сил и изгибающих моментов
Линейную нагрузку находимпо формуле:
/>; (3.80)
/>
Преобразуем системууравнений (3.79) к виду:
/>; (3.81)
/>
Находим максимальнуюреакцию опоры из условия:
/>; (3.82)
/>
По полученным даннымстроим эпюру поперечных сил и изгибающих моментов (рисунок 6).
По эпюре изгибающихмоментов видно, что опасным является сечение 1-1. Для расчетов принимаем моментв сечении 1-1 равным
/>
2.4.4 Расчет барабана напрочность
Напряжение возникающее вопасном сечении:
/>; (3.83)
Где /> - момент сопротивлениясечения барабана.
Определяем моментсопротивления сечения барабана:
/>; (3.84)
Где /> - толщина стенкибарабана, />;
/> - средний диаметр барабана.
Определяем среднийдиаметр барабана:
/>; (3.85)
/>
Численное значение формул(3.84) и (3.83) составит:
/>;
/>.
Запишем условиепрочности:
/>; (3.86)
Где /> - допускаемоенапряжение для материала барабана стали СтЗспЗ, согласно [8] />.
Условие прочностивыполняется: />. Это означает, что при выбранныхразмерах барабана материал из которого он изготовлен выдержит возникающиенагрузки.
2.4.5 Расчет барабана нажесткость
Для проверки корпусабарабанной сушилки на жесткость определим относительный прогиб:
/>; (3.87)
Где /> - суммарный прогиб отдействующих нагрузок.
Определяем суммарный прогибот действующих нагрузок:
/>; (3.88)
Где /> - модуль упругостиматериала барабана [8];
/> - момент инерции единичногокольца барабана;
/> - линейная нагрузка от массыобрабатываемой селитры;
/> - линейная нагрузка от массыбарабана.
Момент инерции единичногокольца барабана:
/>; (3.89)
/>.
Линейная нагрузка отмассы обрабатываемой селитры:
/>; (3.90)
/>
Линейная нагрузка отмассы барабана:
/>; (3.91)
/>.
Численное значение формул(3.87) и (3.88) составит:
/>
/>.
Запишем условиежесткости:
/>; (3.93)
Где /> - допускаемыйотносительный прогиб, /> [8].
Условие жесткости (3.87)выполняется: />. Барабан будет прогибаться вдопустимых пределах.
2.4.6 Определение сил имоментов, действующих на бандаж
Реакция опорного ролика:
/>; (3.93)
/>.
Определяем изгибающиймомент в сечениях бандажа. Изгибающий момент в любом сечении бандажа:
/>; (3.94)
Где /> - суммарный изгибающиймомент в ключевом сечении;
/> - нормальное усилие;
/> - средний радиус бандажа;
/> - угол от вертикали бандажа дорасчетного сечения;
/> - силы, действующие на башмаки;
/> - расчетные углы для отдельныхпар сил;
/> - угол между вертикалью и силой.
Все нагрузки действующиена бандаж представлены на рисунке 7.
/>
Рисунок 7. Нагрузки,действующие на бандаж
Суммарный изгибающиймомент в ключевом сечении:
/>; (3.95)
Где /> - изгибающий момент,действующий на бандаж от i-ойсилы.
Угол между башмаками:
/>; (3.96)
Где /> - число башмаков [8,табл. 3.30, стр. 261].
В численном значенииполучаем:
/>
Число башмаков в одномквадранте:
/>; (3.97)
/>.
Принимаем />.
Сила, действующая насамый нижний башмак:
/>; (3.98)
/>.
Силы, действующие набашмаки
/>; (3.99)
/>.
Расчетные углы дляопределения пар сил:
/>;
/>; (3.100)
/>; (3.101)
/>;
/>.
Средний диаметр бандажа:
/>; (3.102)
/>;
Средний радиус бандажа:
/>; (3.103)
/>.
Изгибающий момент вместах приложения сил:
/>; (3.104)
/>; (3.105)
/>;
/>
Суммарный изгибающиймомент по формуле (3.95):
/>.
Нормальное усилие:
/>; (3.106)
Где /> - нормальные усилия вместах приложения сил />и />.
Нормальные усилия:
/>; (3.107)
/>; (3.108)
/>;
/>
Численное значениеформулы (3.106) составит:
/>
Значения изгибающихмоментов, действующих на бандаж, рассчитанные по формулам (3.94) сведены втаблицу 4, а эпюра представлена на рисунке 8.
Таблица 4. Значениеизгибающих моментов в сечении бандажа.
/> 20 45 60 90 135 140 150 170 180
/> 0,21 0,19 0,1 0,03 -0,16 0,43 1,25 2,86 1,89 1,31
/>
Рисунок 8. Эпюра изгибающихмоментов в сечениях бандажа
По эпюре изгибающихмоментов выбираем опасное сечение при />, отсюда максимальный изгибающиймомент, действующий на бандаж
/>
2.4.7 Определениегеометрических размеров бандажа и опорных роликов
Геометрические размерыбандажа определяем из условия его работы на изгиб и контактную выносливость.
Ширина бандажа:
/>; ( 3.109)
Где /> - модуль упругостиматериала бандажа, /> [8, табл.VII, стр.285];
/> - модуль упругости материаларолика, /> [8];
/> - допускаемое контактноенапряжение, /> [8, табл.3.25, стр.250];
/> - наружный диаметр бандажа.
Наружный диаметр бандажапринимаем для расчета:
/>; (3.110)
/>.
Ширина бандажа составит:
/>
Из конструктивныхсоображений принимаем />.
Высота бандажа:
/>; (3.111)
Где /> - допускаемоенапряжение изгиба, />.
В численном значенииполучаем:
/>.
Уточняем наружный диаметрбандажа:
/>; (3.112)
/>.
Уточняем внутреннийдиаметр бандажа:
/>; (3.113)
/>.
Диаметр внешней опорнойповерхности башмаков:
/>; (3.114)
Где /> - коэффициент линейногорасширения материала барабана, />;
/> - максимальный монтажный зазормежду внутренним диаметром бандажа и наружным диаметром башмаков /> [8, стр.250];
/> - разность между температурамибарабана в рабочем состоянии и при монтаже.
Разность междутемпературами барабана:
/>; (3.115)
Где /> - температурасушильного агента на входе в сушилку;
/> - температура воздуха примонтаже.
Численное значение формул(3.114) и (3.115) составит:
/>.
/>.
Ширина опорного ролика:
/>
Где /> - конструктивнаядобавка, компенсирующая отклонения при монтаже, /> [8, стр. 251].
В численном значенииполучаем:
/>.
Контактные напряжения,возникающие в материале бандажа и ролика должны удовлетворять условию:
/>; (3.116)
где/> — усилие, приходящеесяна единицу длины контакта;
/>; (3.117)
/>
/>;
Условие (3.116)выполняется: />.
Ширина упорного ролика
/>; (3.118)
Где /> - угол наклонабарабана, />;
/> - угол конусности упорногоролика, /> [8,стр. 251];
/> - модуль упругости материаларолика, /> [8];
/> - масса бандажа, />;
/> - масса футеровки, т.к. барабанне футерован то />.
В численном значенииполучаем:
/>.
Округляем полученнуювеличину до: />.
Диаметр упорного ролика:
/>; (3.119)
/>.
2.4.8 Определениенапряжений от температурных воздействий
Напряжение в бандаже оттемпературных воздействий:
на наружной поверхности:
/>; (3.120)
на внутреннейповерхности:
/>; (3.121)
Где /> - коэффициент Пуассона,[8, стр. 251];
/> - перепад температур в сечениибандажа;
/>; (3.122)
Где /> - температура внутреннейповерхности бандажа;
/> - температура наружнойповерхности бандажа.
/>; (3.123)
/>; (3.124)
/>; (3.125)
Где /> - эквивалентноетермическое сопротивление подкладок, воздушных просветов между ними ирадиального зазора между бандажом и подкладок;
/> - высота подкладок, [8, стр.257];
/> - радиальный зазор между бандажоми подкладками при установившемся режиме работы;
/> - коэффициент теплопроводностиматериала бандажа, [8, стр. 257];
/> - коэффициент теплопроводностиматериала подкладок, [8, стр. 257];
/> - коэффициент теплопроводностивоздуха;
/> - коэффициент теплоотдачи отнаружной поверхности бандажа в окружающую среду при работе аппарата на открытомвоздухе;
/> - температура корпуса барабана;
/>;/>;/> — гиперболические функции;
/> - симплекс.
Определяем симплекс
/>; (3.126)
/>.
Находим значение формулы(3.125)
/>;
Тогда />.
Гиперболические функции:
/>
/>
/>
Температура внутреннейповерхности бандажа:
/>
Температура наружнойповерхности барабана:
/>.
Перепад температур вбандаже:
/>.
Напряжение в бандаже оттемпературных воздействий:
на наружной поверхности:
/>;
на внутреннейповерхности:
/>.
Сравниваем полученныезначения напряжений с допустимыми:
/>; (3.127)
/>; (3.128)
/>;
/>
Условие прочности потемпературным напряжениям выполняется.
2.4.9 Расчет бандажа навыносливость
Момент сопротивлениябандажа:
/>; (3.129)
/>;
Максимальное напряжение всечении бандажа под опорой />:
на наружной поверхности:
/>; (3.130)
/>;
на внутреннейповерхности:
/>; (3.131)
/>.
Максимальное напряжение всечении бандажа под опорой />:
на наружной поверхности:
/>; (3.132)
/>;
на внутренней поверхности
/>; (3.133)
/>.
Напряжения на наружнойповерхности бандажа:
максимальное:
/>; (3.134)
/>;
минимальное:
/>; (3.135)
/>;
среднее:
/>; (3.136)
/>;
амплитуда напряженийцикла
/>; (3.137)
/>.
Напряжения на внутреннейповерхности бандажа:
максимальное:
/>; (3.138)
/>;
минимальное:
/>; (3.139)
/>;
среднее:
/>; (3.140)
/>;
амплитуда напряженийцикла:
/>; (3.141)
/>.
Коэффициент запасапрочности:
на наружной поверхности:
/>; (3.142)
на внутреннейповерхности:
/>; (3.143)
Где /> - коэффициентконцентрации напряжений стыковых швов с полным проваром для стали 35Л [8,стр.259];
/> - коэффициент чувствительностиматериала бандажа к асимметрии цикла [8, стр.259];
/> - коэффициент состоянияповерхности для стали 35Л согласно [8, табл.3.26, стр.253];
/> - коэффициент влияния размеровпоперечного сечения на сопротивление усталости, принимаем согласно [8,табл.3.27, стр.254];
/> - предел выносливости для стали35Л, принимаем согласно [8, табл.3.26, стр.253].
В численном значенииполучаем:
/>;
/>.
Нормативный коэффициентзапаса прочности
/>; (3.144)
Где /> - коэффициент,учитывающий неточность в определении нагрузок, [8, стр.254];
/> - коэффициент, учитывающийнеоднородности материала и повышенную его чувствительность к недостаткаммеханической обработки, [8, стр.254];
/> - коэффициент условий работы,учитывающий степень ответственности детали, [8, стр.254].
Значение нормативногокоэффициента составит:
/>
Проверяем условиевыносливости бандажа
/>; (3.145)
/>; (3.146)
/>;
/>.
Условие выполняется, следовательно,выносливость бандажа при заданных нагрузках обеспечена.
ВЫВОДЫ
В процессе выполненияпроекта разработана конструкция барабанной конвективной сушилки для сушки сахарногопеска и проведены расчеты, подтверждающие работоспособность аппарата:технологический, кинематический, энергетический и прочностной.
При выполнениитехнологического расчета определены основные параметры сушильного агента(воздуха), расход сушильного агента и расход тепла на сушку, а также полученыосновные размеры сушильного барабана: рабочий объем сушильного пространства барабана,диаметр и длина барабана.
Рабочая скоростьсушильного агента в сушилке меньше, чем скорость уноса частиц наименьшегоразмера. Это соответствует условию, что частицы высушиваемого материала недолжны уноситься потоком сушильного агента из барабана.
При выполненииэнергетического расчета определены моменты на валах передаточных механизмовкинематической цепи и требуемая мощность привода. По полученному значениюмощности выбран стандартный электродвигатель.
В процессекинематического расчета определены все основные параметры передаточных иисполнительных механизмов: общее передаточное отношение от валаэлектродвигателя до вала ведущего звена исполнительного механизма,конструктивные параметры зубчатой передачи барабанной сушилки, частоты вращениявалов.
В процессе выполненияпрочностного расчета проведены расчеты барабана на прочность, жесткость ивыносливость, определены нагрузки, действующие на бандаж: изгибающий момент инормальная сила, а также определены геометрические размеры бандажа и опорногоролика.
При расчете получили, чтоусловия прочности, жесткости и выносливости выполняются.
Таким образом,разработанная конструкция барабанной сушилки для сушки сахарного песка являетсяоптимальной, и проведенные расчеты обеспечивают надежность работы аппарата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Производство аммиачной селитры вагрегатах большой единичной мощности / М.Е. Иванов, В.М. Олевский, Н.И. Полякови др. – М.: Химия, 1990. – 288с.: ил.
2. Плановский А.Н., Рамм В.М., КаганС.З. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для техникумов. 2-еизд. – М.: Химия, 1962. – 848 с.
3. А.С. Тимонин. Основы конструированияи расчета технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. –Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2001. – 756с.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., НосковА.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии:Учеб. Пособие для вузов Под ред. П.Г. Романкова. 10- изд. – Л.: Химия, 1987. –576 с.
5. Примеры и задачи по курсу «Машины иаппараты химических производств» (технологические расчеты): Учеб. пособие/ В.М.Ульянов, А.А. Иванов, А.А. Сидягин, А.И. Пронин, В.А. Диков; Под ред. В.М.Ульянова; Нижегород. гос. техн. ун-т. Н.Новгород, 2003.356 с.
6. Остриков А.Н., Парфенопуло М.Г.,Швецов А.А. Практикум по курсу « Технологическое оборудование» / Воронеж. гос.технол. акад. – Воронеж, 1994. – 424с.
7. Чернавский С.А. Проектированиемеханических передач. М.: Машиностроение, 1984.
8. Расчет и конструирование машин иаппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учеб. пособие для студентоввтузов / М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Зобнин; Под общ.ред. М.Ф. Михалева. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. – 301 с ., ил.
9. Лащинский А.А. Конструированиесварных химических аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие,1981. – 382 с., ил.