CC BY
167
Shaldov Aleksandr Eduardovich, postgraduate, sh. dragon@mail. ru Russia, Moscow, Moscow State Technical University "STANKIN"
УДК 621.922: 621.921.34
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РОТОРНЫХ ДОЗАТОРОВ ДЛЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО ФОРМИРОВАНИЯ
ОДНОРОДНОСТИ СМЕСЕЙ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
А.В. Евсеев
Предложена инженерная методика проектирования роторных дозаторов для роторных смесительных модулей, реализующих технологию детерминированного формирования однородности смесей сыпучих материалов.
Ключевые слова: методика, дозатор, смеситель, сыпучий материал.
В работах [1 - 5] теоретически обоснованы и представлены схемы и способы, реализующие детерминированное формирование однородности смеси сыпучих материалов. В данной работе рассмотрены конструкция роторной смесительной машины (рис. 1), способная на практике осуществить этот процесс, и ряд стендов для проведения экспериментов по изучению процессов дозирования и собственно смешения [6, 7].
Конструкция автоматизированного роторного модуля для смешения сыпучих компонентов детерминированным способом относится к известному и широко распространённому классу автоматических роторных машин и линий, хорошо зарекомендовавшему себя в использовании на различного рода производствах во многих отраслях промышленности.
Она состоит из следующих функциональных узлов и деталей. Основной вал ротора 12 закреплён в неподвижном стакане 11 и жёстко соединён с главным несущим диском ротора 10. К диску 10 посредством трущихся пар 4 прикреплены валы 3, на которые с одной стороны жёстко закреплены малые шестерни 2, а с другой - подставки 5 под тары 6. С диском 10 также неподвижно соединён цилиндр 9, на котором находится карусель, состоящая из нескольких отсекателей 8. Над каруселью в зоне организации потоков сыпучих компонентов находятся шнековые питатели 7 (возможно использование роторных питателей). Малые шестерни 4 находятся в зацеплении и вращаются относительно неподвижного большого зубчатого венца 11.
Работает конструкция следующим образом. Получая крутящий момент М от привода смесителя, основной вал ротора 12 вращается вместе с диском 10 в стакане 1, заставляя посредством трущихся пар 4 вращаться
валы 3 относительно оси ротора, а также вследствие того, что малые шестерни 2, находящиеся в зацеплении с неподвижным большим зубчатым венцом 11, относительно собственной оси. Тары 6, находящиеся на подставках 5, жёстко скреплённых с валами 3, получают переносные движения, вращаясь не только относительно главной оси ротора, но и вокруг собственной оси. Над тарами 6, вращаясь совместно с диском 5 и цилиндром 9, перемещается карусель, состоящая из нескольких отсекателей 8.
Рис. 1. Предлагаемая конструкция роторного модуля для получения смеси сыпучих компонентов детерминированным способом
Сыпучие компоненты в виде дискретных потоков выдаются питателями 7 и далее под действием силы тяжести перемещаются вниз, где разделяются на микродозы проходящими под неподвижными питателями 7 отсекателями карусели 8. Отделённые от потока микродозы совершают дальнейшее гравитационное перемещение уже внутри тар 6. Конструкции питателей 7 и геометрические особенности отсекателей 8 обуславливают определённое расположение микродозы внутри тары так, что, закончив своё перемещение, она обретает форму углового сектора.
24
Вращение тары 6 относительно своей оси позволяет изменять угловую координату данных секторов внутри себя, а вращение относительно оси ротора обеспечивает попадание новых и микродоз других компонентов.
В результате многократного вращения оси ротора 12 внутри тары 6 образуется смесь, состоящая из множества упорядоченно уложенных микродоз компонентов.
На рис. 2. представлена конструкция однотарного роторного смесительного модуля, использующая роторные дозирующие устройства.
Рис. 2. Роторный двухкомпонентный смесительный модуль;
1 - опорный диск; 2 - ротор; 3 - ворошитель; 4 - привод ворошителя;
5 - бункер компонентов; 6 - привод роторного питателя;
7 - роторный питатель; 8 - эл. двигатель; 9 - шестерня; 10 - тара
Методика проектирования роторных питателей. Питательные или дозирующие устройства в данной конструкции смесителей являются наиболее важными технологическими звеньями, от точности и надёжности работы которых в наибольшей степени зависит качество получаемых конечных смесевых продуктов.
Дозирующее устройство должно подавать мелкодискретный поток сыпучего материала. Очевидно, что отделённые дискреты такого потока должны иметь различное объёмное содержание по длине радиуса тары , чтобы обеспечить образование элементарных угловых секторов компонентов на её поверхности, а также иметь возможность достаточно эффективного регулирования выдачи числа дискретов в единицу времени с целью изменения производительности дозатора и объёмного или массового соотношения компонентов в смеси.
Всем этим требованиям в полной мере отвечает роторный питатель (рис. 3). Использование такой конструкции на практике позволяет получать элементарные сектора с минимальными углами на дне тары ф до
7...9° /толщиной Ио = 0,3...0,2й при й до 0,01 мм.
Рис. 3. Роторный питатель: 1 - ворошитель; 2 - корпус; 3 - компонент; 4 - предбункер; 5 - ротор питателя; 6 - выгрузочное окно
Расчёт основных конструктивных параметров ротора питателя. Объём элементарной микродозы, уложенной в тару (рис. 4),
У0 =к-Я2 • И0, 0 0360°
длина рабочей части ротора питателя I = ( 0,95 ^ 0,98) Ят, где 0,95 - 0,98 -эмпирический коэффициент (0,95 при значительном перемещении микродозы от питателя к таре; 0,98 при незначительном).
Минимизация значения V) приводит к улучшению качества уже готового смесевого продукта, но в то же время оно ограничивается возможностями питателя в надёжном захвате и выдаче минимального объёма сы-
пучего материала . Очевидно, что расчёт роторного питателя сводится к
определению геометрических параметров наиболее ответственной детали -его рабочего ротора при соблюдении следующих условий:
1) надёжном захвате и выдаче минимального объёма, обусловленного геометрическим профилем паза, материалом из которого он изготовлен и качеством его поверхности.
2) определённой формой пазов и их числом, обеспечивающих выдачу сыпучего материала с образованием в таре угловых секторов с соответствующими геометрическими параметрами ф, Я и И§.
Первое условие определяется физико-механическими свойствами сыпучего материала.
е=9о°
а б в г
Рис. 4. Возможные виды профиля захватных пазов в рабочем роторе питателя
Как видно на рис. 4, оптимальным с точки зрения надёжного захвата и выдачи является профиль пазов по схеме пересекающихся цилиндров рис.4,г. В случаях рис.4, а и рис.4,в очевидно наличие характерных застойных зон залипания мелкодисперсных сыпучих материалов А в результате действия сил адгезии, а в случае рис. 4, б - больших нормальных напряжений о, возникающих в зоне захвата пазом сыпучего материала и негативно влияющих на многие технико-экономические параметры питателя и смесителя в целом. Качество поверхности рабочего ротора питателя для увеличения степени надёжности должно быть достаточно высоким, а при условии высокой износостойкости данного рабочего органа рекомендуется
его полировка. В любом случае приближение углов 0 к 90° обеспечивает максимальные напряжения среза т, что при равномерности распределения о по поверхности паза благотворно отражается на неуплотнении материала в нём, необразовании зон залипания материала и зон концентрации напряжений в нём. Микродоза материала "свободно" отсекается и перемещается из места захвата в зону выдачи в полном объёме.
Второе условие обусловлено характером распределения объёма микродозы сыпучего материала по длине рабочего ротора I так, чтобы элементарные объёмы по данной координате соответствовали в зоне захвата роторами и в зоне укладки тары. На рис.5 микродоза приведена по параметрам с уровня тары до уровня питателя.
Рис. 5. Схема изменения элементарных объёмов в микродозе по длине рабочего ротора /
Определим по известной формуле
дГ0 = Vi - К2 = (р( Я + эя )2 - р( Я )2) • ъ>
После упрощений
ЭУ = р Ъ0 (2Яг- • й • Я + (ЭЯ)2), Интегрируя полученное выражение в пределах от 0 до Я , найдем У0 = р• ъ0¡¡Я(2ЯгЭЯ + (ЭЯ)2 )ЭЯ, у0 = р • я2 • ъ0.
Очевидно, что определяющей изменение величины элементарного объёма по координате сектора микродозы в таре Я и координате микродозы в роторе питателя / при условии равенства Э/г- = ЭЯг- и Я^ = Ц и при постоянстве Ъ0 является элементарная площадь, пропорциональная квадрату
радиуса Я2 .
Таким образом, данное распределение объёма соответствует любой конусообразной или пирамидообразной объёмной структуре с объёмом
1 1 2 1 2
Ук =—£ • Ъ = Я • Ъ или Уп = —а Ъ.
По своей геометрической форме такому объёмному распределению отвечает предлагаемая форма паза А на рис.6.
Рис. 6. Рабочая часть ротора питателя
28
Расчёт основных размеров рабочего ротора питателя. Для увеличения надёжности работы питателя рекомендуется элементарный объём микродозы V) раскладывать на несколько частей-дискрет, причём их число может быть не обязательно целым. Данные флуктуации сгладит принцип временного дозирования, который чётко определит число дискрет с заданной точностью. Целесообразно дискреты формировать в каждом из пазов ротора, разделяя, таким образом, расчётный микрообъём V) на несколько более мелких объёмов соответствующих пазов при сохранении их формы. Условная схема такого деления представлена на рис. 7:
п
v0 = I v,
I=1
где VI - объём захвата сыпучего материала одним пазом ротора; п - число пазов в роторе.
Рис. 7. Схема формирования V) на дне тары под смесь
Теперь, изменяя число оборотов вращения ротора, достаточно гибко можем изменить производительность питателя и безусловно влиять на объём микродозы в таре V) (рис.8).
Рис. 8. Форма паза в роторе питателя
Для ротора целесообразно представить
o =--g,
n
где у - эмпирический коэффициент, у = (0,3...0,9).
Проведённые исследования показали целесообразное к применению число пазов в роторе
п = ...3,4,6,8,12____
Жирным обозначены преимущественные числа. Теперь, определившись с объёмом паза и их числом, необходимо рассчитать максимальную площадь получаемого сечения паза (рис. 9).
Рис. 9. Геометрические параметры проточки пазов в роторе
Из вышеизложенного следует, что
' 1 Vo = 3 S • ho,
f
где Vo - объём одного паза в роторе; S - максимальная площадь поперечного сечения паза ротора.
Как видно из рис. 9, в общем случае
>2- R2 .
-sin oq,
S = S1 + S2, S1 =pr°i 1 1 360° 2
„ p^ R2o2 Ri2 . S2 =---—Sin O2,
360°
2
а также
R
01 = arcsin-^sin 02, D = R (1 - cos 01) + R1 (1 - cos 02).
Радиус ротора Я можно взять по зависимости от длины ротора I:
-»(1,5-4).
Я '
Радиус фрезы для проточки паза Я1 обычно можно рассчитать по
О Р
теоретическим зависимостям, но на практике часто трудно получить р » —
при рассчитанном Я1 в силу его малости, поэтому по результатам проведённых экспериментов оказалось для некоторых компонентов возможное снижение Р до 70...75° при одновременном увеличении Я1 до практически возможного. Снижение Р до значений менее 70...75° приводит к сильному увеличению напряжений в сыпучем материале около зоны захвата его ротором питателя.
После проведённых расчётов рекомендуется провести поверочный расчёт питателя на надёжность и качество его работы, а именно определить по рассчитанным параметрам соответствие полученной глубины врезания фрезы А с Ат^п, обеспечивающей не только надёжность, но и безопасность процесса дозирования:
А> 10 - 30%
Если спроектированный питатель не соответствует заданному поверочному условию или заметно отличается по данному параметру, то необходимо пересчитать его при условии уменьшения или увеличения числа пазов, изменяя таким образом дискретность выдаваемого питателем потока сыпучего материала.
Автор сознательно старался избежать точных цифровых указаний при проектировании данного устройства с той целью, что в каждом конкретном случае возможно использование сыпучего материала с различными физико-механическими свойствами и каждая конструкция, очевидно, должна иметь свои индивидуальные особенности. За счёт варьирования предлагаемых эмпирических коэффициентов и можно добиться оптимальной конструкции рабочего ротора питателя для конкретного вида сыпучего материала.
Для удобства расчёта, проанализировав результаты экспериментов, рекомендуется первоначальное проектирование роторного питателя сыпучих компонентов с экстраполяцией на дальнейшую конструкцию смесителя по интегральной номограмме, изображённой на рис.10.
Использование данной номограммы для проектирования роторного дозатора позволяет комплексно учитывает такие входящие взаимосвязанные параметры, как общая производительность дозатора и фракция дозируемого компонента и выходные параметры - длину ротора питателя, объем дозы и качество получаемой смеси.
Входные параметры
Произвол ительностъ,м3/ч
0,05 0,1 0,25 0,5 1,25 2,5 6.8
Фракция компонентами
0,005 0,01 0,05 0,1 0,5 1,0 3...4
Выходные параметры Качество получаемой смеси Ус,% со Элементарный объём, Уо,мм3 о т—1 Длина ротора питателя,мм ■—■ 1
о 1 т ■
о Гч-| 1Г1
ОО 1Г1 г- о щ
о т—1 о оэ
о о см о О]
>250 >150
рекомендуется использовать только по необходимости область неиспользования
Рис. 10. Интегральная номограмма для первоначального определения основных характеристик роторного питателя
Следует учитывать, что в номограмме имеются граничные области, при использовании которых необходимо проводить дополнительные расчеты и эксперименты.
Список литературы
1. Евсеев А.В. Классификация нонмиксинговых смесевых продуктов и устройств // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып.3. С. 82 - 94.
2. Евсеев А.В., Парамонова М.С. Нонмиксинговые технологии и оборудование для получения многокомпонентных смесей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.8. Ч.2. С. 188 - 194.
3. Евсеев А.В., Парамонова М.С. Постановка задачи математического моделирования процесса детерминированного формирования однородности смеси сыпучих материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.8. Ч. 2. С. 203 - 208.
4. Евсеев А.В. Математическая модель детерминированного формирования однородности смеси сыпучих материалов// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 1. С.92 - 101.
5. Евсеев А.В. Новый критерий оценки качества смесей сыпучих материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 1. С. 139 - 148.
6. Патент РФ №2271243. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, А.В. Евсеев, Т. А. Овчинникова, К.В. Власов, О.В.Карпухина. Опубл. 10.03.06. Бюл. № 7.
7. Патент РФ №2129911. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, И. А. Клусов, А.В. Евсеев. Опубл. 10.05.99. Бюл. № 13.
Евсеев Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц, ewsl9 72@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DESIGN OF ROTOR BA TCHERS FOR THE DETERMINED FORMA TION OF UNIFORMITY OF MIXES OF BULKS MATHERIALS
A. V. Evseev
The engineering technique of design of rotor batchers for the rotor mixing modules realizing technology of the determinedformation of uniformity of mixes of bulks is offered.
Key words: technique, batcher, mixer, bulk materials.
Evseev Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ews19 72@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.322
ВЛИЯНИЕ СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ
В.В. Жмурин, В.С. Сальников, О. А. Ерзин, А.В. Анцев
Рассмотрено влияние многовариантности инструментальной системы на динамические характеристики технологического оборудования. В качестве примера приведена типовая инструментальная система, состоящая из цангового патрона, цанги и режущего инструмента, которая широко применяется на многоцелевых станках среднего типоразмера. Приводятся расчеты, показывающие изменения точности и жесткости инструментальной системы при её различных компоновках.
Ключевые слова: динамические характеристики, инструментальная система, точность, жесткость, эксцентриситет, угловые ошибки, векторные ошибки.
Характерными признаками современного производства являются улучшение эксплуатационных и технико-экономических характеристик металлорежущих станков, расширение номенклатуры выпускаемой продукции. Перспективным направлением решения этой проблемы можно назвать широкое внедрение многоцелевых станков (МЦС).
33
