Область применения многоножевой рубительной машины. Виды технологической щепы. Анализ конструкций основных типов дисковых рубительных машин. Выбор режущего инструмента. Проектные расчеты вала, выбор подшипников. Расчет производительности машины.
При низкой оригинальности работы "Производство многоножевой рубительной машины на базе МРН-150 для переработки воздухосушных и мерзлых балансов в щепу", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Применение на практике разработанного в дипломном проекте станка экономически выгодно и позволит: улучшить качество получаемой продукции;В результате проведенного анализа рубительных машин предложена реконструкция машины МРН - 150 позволяющей перерабатывать воздухосушные и мерзлые балансы. В разделе технологии машиностроения разработана маршрутная карта изготовления детали (подкладки под нож).
Введение
В связи с переработкой в целлюлозно-бумажной промышленности не только балансов, но и низкокачественного древесного сырья, отходов лесопиления и деревообработки область применения рубительных машин значительно расширилась. Изменились и требования к рубительным машинам. Большое значение приобрели вопросы расчета и конструирования машин, а также их монтажа и эксплуатации.
Совершенствование процесса производства технологической щепы идет по двум направлениям: 1) совершенствуются существующие дисковые рубительные машины - улучшаются некоторые элементы; 2) создаются принципиально новые рубительные машины для производства технологической щепы, отличающиеся как кинематикой резания. Так и формой рабочих органов. Эти машины создаются с целью улучшения фракционного состава щепы и равномерности ее геометрических размеров.
В связи с тем, что очень много лесных массивов находится в северных районах и вырубки ведутся в основном зимой и летом, то рассматривается возможность переработки древесины в щепу в основном воздухосушных и мороженных балансов. Для этого разработаем рубительную машину с безударным выбросом щепы.
1. Технико-экономическое обоснование проекта
1.1 Назначение и область применения оборудования
Рубительные машины различных типов применяются для измельчения круглых лесоматериалов (балансов) и отходов в технологическую щепу, используемую для химической переработки, производства древесноволокнистых плит и другой продукции. Используются установки для получения щепы из фаутной и дровяной древесины.
1.2 Виды технологической щепы
В зависимости от назначения щепа может быть классифицирована следующим образом (рис. 1.1).
Рисунок. 1.1. Классификация щепы по назначению
Щепа марок Ц-1, Ц-2 и Ц-3 предназначена для использования в целлюлозно-бумажной промышленности для производства сульфатной, сульфитной и бисульфитной целлюлозы, различных видов полуцеллюлозы и древесной массы, направляемых на изготовление различных видов бумаги и картона: · марки Ц-1 - для производства сульфатной целлюлозы и древесной массы, направляемой на изготовление бумаги с регламентируемой сорностью;
· марки Ц-2 - для производства сульфитной целлюлозы и древесной массы, направляемой на изготовление бумаги и картона с не регламентируемой сорностью, а также сульфатной и бисульфатной целлюлозы, направляемой на изготовление бумаги и картона с регламентируемой сорностью;
· марки Ц-3 - для производства сульфатной целлюлозы и различных видов полуцеллюлозы, предназначенных для изготовления бумаги и картона с не регламентируемой сорностью.
Размеры щепы и степень ее деформации обусловливаются процессом измельчения древесного сырья в рубительных машинах. Чем короче и тоньше щепа, тем быстрее она пропитывается варочным раствором. Однако наличие в щепе большого количества опилок, образующихся в результате измельчения древесины, отрицательно влияет на выход и качество целлюлозы.
Щепа марок ГП-1, ГП-2, ГП-3 предназначена соответственно для производства: · марки ГП-1 - спирта, дрожжей, глюкозы и фурфурола;
· марки ГП-2 - пищевого кристаллического ксилита;
· марки ГП-3 - фурфурола и дрожжей при двухфазном гидролизе.
Щепа марок ПВ и ПС предназначена для использования в плитных производствах: · марки ПВ - для производства древесноволокнистых плит;
· марки ПС - для производства древесностружечных плит.
Требования к щепе для целлюлозно-бумажного и гидролизных производств, изготовления древесностружечных и древесноволокнистых плит регламентируются ГОСТ 15815-83 "Щепа технологическая. Технические условия". Размеры щепы в зависимости от марок приведены в табл. 1.1. Щепа для целлюлозного производства и производства древесноволокнистых плит должна быть без мятых кромок, угол среза равен 30-60? , количество щепы, не соответствующей этим требованиям, не должно превышать 30 % от объема партии.
Таблица 1.1 Геометрические размеры щепы
Марка щепы Длина щепы, мм Толщина щепы, мм, не более
Ц-1, Ц-2, Ц-3 12-20 5
ГП-1, ГП-2, ГП-3 5-35 5
ПВ 10-35 5
ПС 10-60 30
Изучение процесса измельчения древесного сырья в щепу показало, что процесс резания древесины в дисковых рубительных машинах можно осуществить таким образом, что наиболее опасный вид деформации щепы-сжатие вдоль волокон резко снизится за счет увеличения поперечного сжатия [1-4].
1.3 Классификация рубительных машин
Классификация рубительных машин представлена на рисунке 1.2
Рисунок. 1.2 Общая классификация рубительных машин в зависимости от типа рабочего органа (механизма резания)
· дисковые рубительные машины, рабочий орган которых выполнен в виде плоского или профильного (геликоидального) диска с ножами на нем;
· барабанные рубительные машины, рабочий орган которых выполнен в виде барабана с ножами на внешней поверхности: o машины с рабочим органом в виде цилиндра;
o машины с рабочим органом в виде конуса;
o машины с рабочим органом в виде двух конусов, расположенных o на одной оси и соединенных друг с другом вершинами по мобильности: · передвижные (прицепные, полуприцепные, смонтированные на раме базового трактора);
· стационарные;
по способу загрузки древесины: · рубительные машины с горизонтально расположенным питающим патроном, древесину в который подают цепным или ленточным транспортером, рольгангом или шнеками;
· рубительные машины с питающим патроном, наклоненным в вертикальной плоскости, древесина в котором перемещается за счет гравитационных сил;
· рубительные машины с комбинированной загрузкой, оснащенные двумя патронами;
Подача древесины к ротору машины обеспечивается: · при наклонном патроне - под действием силы тяжести;
· при горизонтальном - при помощи горизонтальных и вертикальных вальцов или гусеничного механизма (горизонтальный патрон размещают ниже оси вращения барабана перпендикулярно к ней или под углом 30-35°). по способу удаления щепы из машины: · удаление щепы вверх по щепопроводу с помощью воздушного потока;
· удаление щепы вниз на транспортер;
· "безударное" удаление щепы, происходящее примерно по направлению подачи сырья в машину.
В основе процесса работы рубительных машин лежит рубка древесины в торцово-продольно-поперечном направлении.
По конструктивным признакам рубительные машины подразделяются на барабанные и дисковые.
1.4 Барабанные рубительные машины
В барабанных рубительных машинах режущие ножи размещены на поверхности вращающегося барабана. При рубке эти ножи совершают кругообразные движения, врезаясь в древесину под разными углами наклона, зависящими от толщины перерабатываемого древесного сырья. Вследствие этого щепа, получаемая на этих машинах, обычно имеет неодинаковое направление среза и неоднородна по фракционному составу.
Барабанные машины предназначены для измельчения на щепу сучьев, вершин, горбылей и реек и снабжены рабочим органом в виде барабана с ножевыми впадинами (рис. 1.3 а) или подножевыми прорезями (рис. 1.3 б), в последнем случае барабан делают пустотелым. Барабан снабжают 2-8 ножами, диаметр барабана 0,6-1 м, угловая скорость 60-120 рад/с.
У машин с барабанами, имеющими ножевые впадины, щепа подается вниз на транспортер. Если барабан имеет ножевые прорези, то щепа поступает внутрь его и вентилятором выносится в циклон по трубопроводу.
Рисунок. 1.3 Схемы переработки древесины в барабанных рубительных машинах: а- щепа поступает в подножевые впадины; б- щепа поступает в барабан; в- схема для расчета барабанной машины; 1- барабан; 2- нож; 3- загрузочный патрон; 4- контрнож; 5- подножевая впадина; 6- щепоотводящий патрубок.
1.5 Классификация дисковых рубительных машин
Классификация дисковых рубительных машин представлена на рисунке 1.4
Рисунок 1.4 - Классификация дисковых рубительных машин
Рисунок. 1.5 - Дисковые машины с наклонным (а) и горизонтальным (б) расположением патрона: 1 - подача древесины; 2 - патрон; 3 - подшипник; 4 - выход щепы; 5 - корпус; 6 - привод.
1.6 Анализ конструкций основных типов дисковых рубительных машин
В дисковых рубительных машинах режущие ножи расположены на вращающемся в вертикальной, горизонтальной или наклонной плоскости диске под постоянным углом наклона как к поверхности диска, так и к направлению подачи. Резание древесины в этих машинах осуществляется под одинаковым углом к плоскости диска, а также при постоянных соотношениях режимов резания и затягивания балансов к ножам независимо от их толщины. Вследствие этого полученная щепа имеет практически одинаковое направление среза и по сравнению со щепой, нарубленной в барабанных машинах, более равномерна по фракционному составу. На рисунке 1.6 представлены углы резания и элементы щепы: ?1-угол наклона патрона к горизонтальной плоскости; ?1-угол резания; ?-Угол заточки ножа; hщ- толщина щепы; lщ- длина щепы; h- величина выступа ножей.
Рисунок. 1.6 Схема образования элементов щепы в рубительной машине: 1-рубительный нож; 2-ножевой диск; 3-измельчаемый материал; 4-кожух; 5-загрузочный патрон; 6-подножевая щель; 7-контрнож; 8-щепа
Существует несколько модификаций дисковых рубительных машин, отличающихся по условиям подачи древесины, форме поверхности диска, режиму резания и др.
Различают дисковые рубительные машины с прерывистым и непрерывным процессом резания. Машины с прерывистым режимом резания снабжены тремя-четырьмя ножами, процесс резания чередуется с прекращением подачи балансов. При таком режиме неизбежны удары в момент внедрения ножа в древесину, что ухудшает фракционный состав щепы и приводит к смятию поверхности реза. В машинах с непрерывным режимом резания ножи постоянно находятся в контакте с древесиной, что создает более благоприятные условия резания и обусловливает получение щепы лучшего качества. Непрерывное резание древесины обеспечивается большим числом (10-16) режущих ножей на диске, приближенных к центру диска.
По форме рабочей поверхности диска многоножевые машины делятся на машины с плоской (рис. 1.7, б) и геликоидальной (рис. 1.7, в) поверхностями. На рисунке 1.7 представлены схемы резания древесины в дисковых рубительных машинах.
.
Рисунок. 1.7 Схемы резания древесины в дисковых машинах: а- общая схема; б- схема взаимодействия измельчаемой древесины с плоским диском; в- схема взаимодействия измельчаемой древесины с геликоидальным диском; 1- нож; 2- ножевой диск; 3- измельчаемый материал; 4- кожух ножевого диска; 5- загрузочный патрон; 6- подножевая щель; 7- контрнож.
По способу подвода балансов к ножевому диску различают рубительные машины с наклонным и горизонтальным питающими патронами. Патрон имеет угол наклона к горизонту 45-52°, а также разворот от продольной оси вала машины на угол 10-30°. В этих машинах резание осуществляется под углом к оси бревна. Подобного типа машины в основном служат для рубки балансов длиной до 3 м. Для рубки длинных балансов
(6-6,5 м и более) применяются машины с подачей в горизонтальной плоскости.
Рубительные машины изготовляются с верхним или нижним выбросом щепы. При верхнем выбросе щепа специальными лопатками направляется по трубопроводу (щепопроводу) в циклон или бункер. При нижнем выбросе щепа попадает на расположенный под машиной транспортер или в бункер.
По мобильности рубительные машины подразделяются на передвижные (прицепные, полуприцепные, смонтированные на раме базового трактора) и стационарные.
Машина с наклонным диском - одна из дисковых машин с горизонтальной подачей. Эти машины вписываются в одноэтажную компановку древесного цеха, что снижает расходы на сооружение здания. Кроме того, в таких машинах отсутствуют удары балансов о диск. Все это является достоинством машины с наклонным диском.
Однако следует отметить, что наклонное расположение диска и привода вносят ряд недостатков в конструкцию машины. При наклонном положении диска появляются значительные осевые усилия на подшипники от сил инерции вращающихся звеньев машины. Эти силы вместе с силами затягивания древесины, возникающими в процессе рубки, достигают большого значения. Для восприятия этих сил приходится усиливать опоры вала. Усложняется также установка машины и двигателя. Недостатком этой конструкции является также вытекание смазки из наклонно расположенного корпуса подшипника. Появляются и дополнительные сложности при монтаже и обслуживании таких машин. По этим причинам машины с наклонными дисками не получили широкого распространения в промышленности.
Следующей разновидностью дисковых рубительных машин являются машины с горизонтальным диском. Такие машины вырабатывают щепу хорошего качества. К диску балансы подводятся одновременно по двум-четырем питающим лоткам. Благодаря этому достигается высокая производительность машины, а также выравнивается нагрузка на двигатель. Недостаток данной конструкции - необходимость вертикальной установки приводного двигателя.
Рубительные машины с безударным выбросом щепы применяется при рубке воздушносухих и особенно мерзлых балансов.
Особое внимание следует уделить рубительной машине с эвольвентными ножами. В обычных дисковых машинах прямолинейные ножи на диске распологаются по радиусу или под некоторым углом к нему. При такой форме режущей кромки ножа внедрение его в древесину осуществляется в переменной скоростью по всей длине лезвия. С увеличением расстояния от центра диска периферии скорость резания непрерывно возрастает и достигает до 30 м/с, т.е. в 3-4 раза превышает скорость резания у центра диска. Для обеспечения постоянной минимальной составляющей скорости рубки предложено режущие кромки рубительных ножей выполнить по эвольвентной кривой. При такой форме режущей кромки обеспечивается одновременное резание древесины несколькими ножами независимо от положения бревна относительно плоскости диска.
Для дисковых машин лучшие результаты по фракционному составу щепы, удельному расходу энергии, производительности и другим технико-экономическим показателям получены при измельчении балансов различных пород (ели, сосны, березы и осины) на многоножевых рубительных машинах и особенно на машинах с геликоидальной поверхностью режущих ножей и диска. Эти машины обеспечивают непрерывное резание для большей части измельчаемых балансов
Для коротких балансов (до 2 м) рекомендуются дисковые многоножевые машины с наклонным патроном, а для длинных балансов (4-6,5 м) - машины с горизонтальной подачей.
Таблица 1.2 - Технические характеристики рубительных машин
Параметры «Содерхамнс» (Швеция) KMW (Швеция)
Марка машины Производительность, м?/ч Диаметр диска, мм. Число ножей, шт. Частота вращения диска, мин -1 Размеры патрона, мм Мощность двигателя, КВТ Наибольший диаметр балансов, мм 48” 56” 84”
1.7 Устройство и принцип работы дисковой рубительной машины
Основной рабочий орган любой дисковой машины - ножевой диск, закрепленный на валу, который вращается в двух или трех подшипниках.
Дисковая многоножевая рубительная машина состоит из следующих механизмов (рис. 1.8): станины 1, на которую монтируется подшипник и контрнож, кожуха 5, подшипников 2, являющихся опорами вала, ножевого диска 6 с маховиком 7 (маховик имеется у машин не всех типов), загрузочного патрона 3, тормозного устройства, уменьшающего продолжительность выбега после остановки машины (имеется у машин не всех типов), муфты 8, передающей вращение от электродвигателя валу машины ( при соосной схеме установки двигателя), лопаток 4 для выброса щепы (при нижнем выбросе лопатки отсутствуют).
Рисунок 1.8 Схема многоножевой рубительной машины а - продольный разрез; б - ножевой диск.
Опорами вала ножевого диска обычно являются сферические роликоподшипники. В некоторых конструкциях в подшипнике с лицевой стороны монтируется дополнительно упорный подшипник, воспринимающий осевую составляющую силы, возникающей при рубке балансов. Подшипники вмонтированы в стальные стаканы, которые могут с помощью винтового устройства 11 перемещаться с валом, диском и маховиком вдоль чугунных корпусов подшипников. Войлочные или севанитовые уплотнения предохраняют подшипники от попадания пыли и вытекания смазки.
Бревно к ножевому диску подается через загрузочный патрон, монтируемый с лицевой стороны машины. Внутренняя часть патрона футеруется съемными защитными листами. Внизу патрона установлен контрнож [1-4].
1.8 Техническое задание на проектирование
В результате проведенного анализа различных конструкций дисковых рубительных машин приходим к выводу, что их основным недостатком является прерывистый процесс рубки, который сопровождается ударами во время внедрения ножа в древесину. Так же следует отметить что получаемая щепа часто не соответствует техническим требованиям изза большого расхождения геометрических размеров и большого количества опилок и низкосортной щепы изза ударов и разбивания щепы о кожух и лопатки диска, особенно при рубке мерзлых и воздухосушных балансов.
В данном проекте предложено решить эти проблемы благодаря увеличению количества ножей, снижению скорости вращения механизма резания и применению безударного выброса щепы.
Техническая характеристика проектируемого станка представлена в таблице 1.3
№ Наименование показателей Единицы измерения Значения показателей
1 Максимальный диаметр балансов мм 700
2 Производительность м3/ч 222
3 Размеры сечения патрона мм 750?750
4 Диаметр ножевого диска мм 3320
5 Частота вращения ножевого диска мин -1 150
6 Количество ножей шт 24
8 Габаритные размеры: Длина Ширина Высота мм мм мм 6800 3400 4070
9 Масса т 26,9
2. Технологический расчет
2.1 Выбор режущего инструмента
При работе режущий инструмент рубительных машин испытывает значительные динамические нагрузки, подвергается интенсивному истиранию при взаимодействии с древесиной, испытывает абразивное воздействие минеральных частиц, попадающих в машину вместе с древесным сырьем [20, 22]. В связи с этим к качеству материалов инструмента предъявляются высокие требования. Режущий инструмент рубительных машин изготавливают из инструментальной углеродистой стали У8А, а также из инструментальной легированной стали 6ХС или 9ХС. Для рубительных машин с геликоидальными дисками применяются высоколегированные стали марки 55Х6ВЗСМФ и 55Х7ВСМФ.
Режущий инструмент бывает однослойной и двухслойной конструкции. Режущую часть двухслойного инструмента делают из инструментальной стали, а корпус из стали 15. Инструмент подвергают термической обработке с обеспечением твердости рабочей части однослойного ножа 48 - 56 HRC, двухслойного - 51-58 HRC.
Режущий инструмент для рубительных машин изготовляет Горьковский металлургический завод по нормали ГМЗ-09 и ЧМТУ-1-972-90.
Контрножи (как и загрузочные патроны, на которых они установлены) рубительных машин различных марок отличаются формой и размерами. Как правило, они имеют по две режущие кромки; в случае износа одной кромки нож переворачивают, и он продолжает работать до износа второй режущей кромки. Рабочие кромки контрножей наплавляют износостойкими материалами - электродами И-1, Ш-1 и Т-620 (ГОСТ 10051-75), а также литыми твердыми сплавами сормайт № 1 и стеллит ВК-2. Благодаря многократной наплавке износившихся рабочих кромок срок службы контрножей увеличивается в 6 - 7 раз [1].
Проанализировав степень загруженности, износа и условия работы инструмента мы выбираем ножи из высоколегированной стали марки 55Х7ВСМФ с углом заточки 33° длиной 900 мм и шириной 12 мм. рисунок(2.1)
Рисунок 1 - Рубительный нож
2.2 Расчет мощности привода механизма резания
Мощность электродвигателя рубительной машины подбирается по величине полезной мощности резания, которая рассчитывается по формуле [7]
где D - диаметр бревна, мм;
Р - удельная сила резанья, н/мм;
?1 и ?2 - углы встречи в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В рубительной машине питающий патрон имеет два угла наклона - в вертикальной плоскости ?в = 38? = 0,66 рад и в горизонтальной плоскости ?г = 25? = 0,33 рад.
Определяем удельную силу резанья Р по номограмме [1, рис. 14] при углах встречи ?в = 0,66 рад и ?г = 0,33 рад
Удельная сила для конкретных условий где ?? = 1,0 - поправочный коэффициент на затупление режущих ножей (считаем ножи свежезаточенными);
Требуемая мощность электродвигателя при рубке бревен максимального диаметра dmax = 700 мм
;
КВТ.
2.3 Расчет производительности машины
Как было отмечено выше, основной целью проекта является реконструкция рубительной машины МРН-150 путем установки 24 ножей с пониженной скоростью резанья и беспрепятственным выбросом щепы из пазухи на периферию диска и по направлению выдачи балансов. Таким образом, исключено разбивание щепы об обод диска и кожух машины, что особенно важно при рубке воздухосушных и особенно мерзлых балансов.
Рубительная машина МРН-150 при скорости вращения n=375 об/мин и количеством 12 ножей имела производительность Q=250 м3/ч при рубке не мороженой древесины хвойных и мягких пород диаметром до 270 мм при влажности 35 - 70 %.
С постановкой 24 ножей и снижением частоты вращения до 150 об/мин, производительность определится по формуле []
где КП = 0,3…0,9 - коэффициент загрузки или подачи для многоножевых машин [1, стр. 73];
d = 270 мм - диаметр баланса;
lщ = 20 мм - длина щепы;
n = 150 об/мин - частота вращения ножевого диска;
Z = 24 - число ножей.
Как видно из расчета при снижении скорости вращения вала машины с 375 об/мин до 150 об/мин и постановке 24 ножей вместо двенадцати производительность машины уменьшилась незначительно, зато фракционный состав качественно изменился.
Нормальная фракция (I сорт) увеличилась с 24,9 % до 66,8 %. Мелкая фракция уменьшилась с 24 % до 10 %. Процент опилок уменьшился с 16 % до 5 %.
3. Конструкторские расчеты
Исходя из предлагаемой реконструкции машины, необходимо выполнить следующее расчеты для определения геометрических параметров деталей машин: 1. Расчет вала машины на прочность и жесткость.
2. Расчет подшипников качения.
3. Расчет ножевого диска и его крепления к валу.
4. Расчет крепления режущих ножей.
3.1 Проектные расчеты вала
Вал рубительной машины опирается на два подшипника, т. е. здесь имеет место статически определимая система.
При расчете вала учитываются следующие нагрузки: · силы тяжести ножевого диска с 24 ножами G1 = 160000 Н
· сила тяжести зубчатой муфты G2 = 4800 Н
· силы тяжести маховика (тормозного барабана) G3 = 3000 Н
· собственный вес вала G4 = 18000 Н.
Эти нагрузки действуют в вертикальной плоскости.
При измельчении баланса появляется переменная сила Р, приложенная на некотором радиусе резанья. Вследствие этого появляется крутящий момент - Мкр.
В зависимости от места расположения питающего патрона направление расчетной силы резанья Рмах будет различным.
В нашем случае при установке патрона с двумя углами наклона ?в = 38? и ?г = 25? расчетная сила резанья будет направлена наклонно, по отношению к действию сил тяжести.
В этом случае возникают две составляющих - вертикальная, направленная снизу и равная и горизонтальная
Проектный расчет ведется на прочность по деформации изгиба и кручению [23].
Для построения эпюр изгибающих моментов определяем опорные реакции, для чего составляем уравнения равновесия системы сил.
?МА=0; в плоскости YZ:
?МА=0
Проверка: ?Y=0
Следовательно, опорные реакции найдены верно.
В плоскости XZ:
Суммарные реакции (для расчета подшипников качения)
Строим эпюру изгибающих моментов: в вертикальной плоскости, для чего определяем изгибающие моменты в характерных сечениях.
По полученным значениям строим эпюру изгибающих моментов в вертикальной плоскости (МХ), рисунок 1, а.
Строим эпюру изгибающих моментов в горизонтальной плоскости (XZ).
По полученным результатам строим эпюру изгибающих моментов в горизонтальной плоскости (МХ), рисунок 1, б.
Строим эпюру суммарных изгибающих моментов.
По полученным результатам строим эпюру суммарных изгибающих моментов, рисунок 1, в.
По методу ЦНИИБУММАШ величину крутящих моментов определяют с учетом электромеханической характеристики приводного двигателя и величины маховых масс ножевого диска.
На участке CD (рисунок 1) расчетный крутящий момент принимают равным опрокидывающему моменту двигателя где ? = 2,2…2,6 - коэффициент увеличения момента двигателя при кратковременной перегрузке (принимаем ? = 2,6).
Номинальный момент на валу двигателя:
Nдв = 1600 КВТ; nдв = 150 об/мин
Тогда
На участке DE на величину крутящего момента оказывает влияние маховая масса диска (маховика нет).
Расчетный момент определяется по следующему выражению
Строим эпюру крутящих моментов (рисунок 1, г)
Суммарный расчетный момент определяют по выражению где ? = 0,75…1,0 - коэффициент приведения действия крутящего момента к изгибающему.
По третьей теории прочности ? = 1,0.
Диаметр вала в рассматриваемом сечении определяют из уравнения прочности на изгиб где WX = 0,1 d3 - момент сопротивления сечения вала.
Отсюда
Вал изготавливается из высокоуглеродистой стали марки Сталь 45 ГОСТ 1050-88, для которой ?в = 610000 КН/м2.
При проектном расчете допускаемые напряжения для углеродистых сталей рекомендуется выбирать по третьей категории нагрузок. Значения допускаемых напряжений по отдельным категориям нагрузок приблизительно находятся в следующем соотношении где [?и]1 = 0,33 ?в = 0,33·610000 = 201300 КН/м?.
Тогда по третьей категории
Определяем диаметры вала в сечении Е
Принимаем DE =0, 440 м.
Диаметр вала в сечении D
Принимаем DD = 0,360 м.
Диаметр вала в сечении C
Принимаем DC = 0,240 м, с учетом внутреннего диаметра подшипника.
3.2 Проверочные расчеты вала
При проверочном расчете определяют коэффициенты запаса прочности П. Запас прочности для валов, нагруженных переменными силами, определяют по выражению
, ,
где ?-1 и ?-1 - пределы выносливости при симметричном цикле изгиба и кручения.
Если эти пределы не определены испытаниями, то их находят по следующим формулам:
Для материала вала - Сталь 45 и термообработке - нормализация.
Рассмотрим наиболее опасное сечение - Е (под диском). Концентрация напряжений вызвана напресовкой диска на вал. При этом зависят от предела выносливости стали ?В и диаметра вала. При и d = 0,440 м где - полярный момент сопротивления;
Мкр = 403,26 КН•м - крутящий момент в сечении Е. ?? = 0,1; ?? = 0,25; ?m = 0.
Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям
Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям
Суммарный коэффициент запаса прочности
Сечение С (под муфтой).
Концентрация напряжений вызвана наличием шпоночной канавки: по таблице 43 К? = 1,53 по таблице 45 ?? = 0,58.
Выходной конец работает только на кручение
Момент сопротивления кручению нетто здесь b и t - размеры шпоночного паза, ослабляющего сечение вала.
При d = 0,220 м; b = 0,050 м; t = 0,017 м
Коэффициент запаса прочности здесь .
Сечение D (под тормозным шкивом).
Диаметр d = 0,360 м, Мкр = 263840 Н•м. Изгибающий момент Ми = 3892,2 Н•м. концентрация напряжений вызвана наличием шпоночной канавки. Размеры шпоночного паза b = 0,07 м, t = 0,022 м.
При ?В = 610000 КН/м2 и d = 0,36 м для высокоуглеродистой стали
Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям
Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям
Суммарный коэффициент запаса прочности
Расчеты подтвердили достаточную прочность вала в наиболее опасных сечениях.
3.3 Расчет вала на жесткость
Расчет на жесткость от поперечных сил имеет целью определение прогибов и углов наклона упругой линии оси вала. При расчете валов на деформацию кручения их жесткость оценивается по углу закручивания.
В общем машиностроении широко распространены следующие нормы: наибольший прогиб вала y не должен превышать 0,0002 расстояния между опорами.
Для расчета определяем прогибы и углы наклона упругой линии оси вала.
Составляем дифференциальное уравнение изогнутой оси вала: , где EI - жесткость сечения вала ( );
М(х) - изгибающий момент в сечении вала.
Интегрируя уравнение оси вала, получаем:
Начальные значения прогибов и углов поворота определяем из условий при х = 0; у0 = 0
Приводим ступенчатый вал к валу одинаковой жесткости по всей длине.
Выбираем приведенный диаметр dпр = 0.360 м.
Длины участков вала заменяем приведенными длинами из соотношений
Расстояния до точек приложения сил: для силы G1, P
для силы G4
для силы G3
для силы RB
для силы G2
;
При х = 0; у0 = 0; D = 0 (проб в опоре А).
Определяем ?0. При х = 3,813 м; у = 0 (прогиб в опоре В).
Для построения упругой линии прогибов определяем прогибы в характерных точках при найденных у0 и ?0.
УА = 0; х = 0,2401 м. х = 3,086 м. х = 3,43 м. х = 5,839 м.
В горизонтальной плоскости: RAX = 4900Н; RBX = 3420 Н; РГ = 8400 Н.
Точка приложения РГ точка Е. lпр1 = 2,401 м; УА = 0.
х = 2,401 м. х = 3,086 м. х = 3,43 м.
Полный прогиб
По полученным данным строим упругую линию оси вала.
3.4 Выбор подшипников качения
При выборе опор вала следует отметить наличие осевых усилий, вызываемых силами самозатягивания древесины в процессе рубки где Рр - расчетная сила резанья.
Максимально нагруженной опорой является опора А, которая нагружена радиальной силой RA = 96200 Н..
Так как осевая нагрузка в сравнении с радиальной незначительна, то принимаем в качестве опор радиальные подшипники; эквивалентная нагрузка которых определяется из выражения где Kk - коэффициент кольца. При вращении внутреннего кольца Kk = 1.
Расчет подшипников качения проводим по методу динамического нагружения. При полученных расчетом на прочность диаметрах участков вала подшипники рассчитывают по коэффициенту работоспособности С.
, где К? = 1..3 - коэффициент характера нагрузки (принимаем К? = 2);
К? - температурный коэффициент. При температуре t = 125 ?С; К? = 1,05;
при t = 150 ?С; К? = 1,10. Принимаем К? = 1,05.
Диаметр посадочного участка вала DП = 0,240 м.
По таблице каталога принимаем радиальный двухрядный роликоподшипник сферический № 30031048 с параметрами d = 0,240 м, D = 0,440 м, В = 0,160 м, С = 730000 Н.
Проверка: Расчетная долговечность, млн. об.
, где n = 150 об/мин - частота вращения вала.
3.5 Расчет крепление режущих ножей
При рубке балансов большого диаметра режущие ножи воспринимают значительные усилия, требующие надежного крепления.
В рубительной машине ножи устанавливают в повернутом положении по отношению к лицевой стороне диска (рисунок 3).
Составляющие окружной силы резанья Р1 и Р2 стремятся изогнуть и сдвинуть с места режущий нож. Эти силы определяются из выражений
При ? = 0
, ,
где ? = 28°.
где РВ и РГ определены ранее.
Применяя аналогичный подход к расчету крепежных болтов, уравнение прочности можно записать в следующем виде где ? = 0,5 - доля силы трения при восприятии силы Р1;
f = 0,2…0,25 - коэффициент трения;
? = 28000 Н/м;
d1 = 0,023 м - внутренний диаметр болта М 27;
[?] = 140000 КН/м2.
61470 Н < 1628000 Н
Условие прочности выполняется.
4. Технология машиностроения
4.1 Назначение и конструкция детали
1. Назначение
Подкладка предназначена для закрепления на ней режущего ножа рубительной машины при помощи накладки. Сама подкладка крепится к диску рубительной машины.
2. Конструкция
Поверхности А, Е - являются базовыми, сопрягаемыми поверхностями. Эти поверхности требуют высококачественной обработки.
Поверхности Б, В - являются сопрягаемыми, поэтому требуют качественной обработки.
Поверхности Г, Д, Ж, З - вспомогательные. Они не требуют особой обработки.
Таблица 4.1 - Химический состав стали 45 (ГОСТ 1050-74)
C Si Mn S P Ni Cr не более не более
0,42?0,5 0,17?0,37 0,5?0,86 0,045 0,045 0,3 0,3
Таблица 4.2 - Механические свойства стали не менее ан, HB (не более) горяче- катанныйотожжен- ный
36 61 16 40 5 241 197
4.2 Анализ технологичности конструкции детали
Деталь в изготовлении не технологична, т. к. имея форму трапеции, ее длина составляет 900 мм. Она имеет несколько разных углов. Так как производство массовое, то для изготовления детали нужно сделать кондуктор и приспособление.
4.3 Выбор типа заготовки
По заданию у нас серийное производство, поэтому самым рациональным способом получения заготовок является поковка свободной ковкой.
Геометрические размеры поковки: L = 920 мм;
B = 216 мм;
H = 110 мм.
Таблица 4.3 - Таблица маршрута механической обработки детали
№ операции перехода Содержание операции Оборудование Оснастка и инструмент
005 Фрезерная F400-E-K/01
1 Установить и закрепить заготовку Тисы
2 Профрезеровть плоскость А на всю длину Торцовая фреза Т5К10
3 Переустановить заготовку на фрезерованную плоскость и закрепить
4 Профрезеровать плоскость Е на всю длину Торцовая фреза Т5К10
010 Фрезерная
1 Установить и закрепить деталь Тисы
2 Торцевать деталь с одной и с другой стороны Дисковая фреза
015 Сверлильная 2Л53 Прижимные планки. Кондуктор
1 Установить и закрепить деталь
2 Сверлить отверстие o22 на сквозь Сверло спиральное O22
3 Сверлить фаски а х 45° Сверло спиральное O30
020 Строгальная 7210 Приспособление
1 Установить деталь на приспособление и закрепить
2 Строгать сторону Ж. Повернуть резцедержатель и строгать сторону З. Отогнутый резец Т5К10
3 Переустановить деталь и закрепить
4 Строгать сторону Д. Повернуть резцедержатель и строгать сторону Г. Отогнутый резец Т5К10
025 Фрезерная F400-E-K/01
1 Установить и закрепить деталь
2 Фрезеровать плоскости Б, В Концевая фреза O36
030 Фрезерная F400-E-K/01
1 Установить и закрепить деталь
2 Фрезеровать шпонпаз Концевая фреза O14
4.4 Расчет припусков на механическую обработку
Заготовка - свободная ковка на молоте из круглого проката. Исходя из табличных данных, возьмем припуск на механическую обработку 80 мм на сторону.
4.5 Расчет режимов резания
К режимам резания относятся глубина резания, подача, число проходов и скорость резания.
1. Глубина резания при сверлении
(4.1) где t - слой металла снимаемый за один проход, мм. dсв - диаметр сверления, мм.
2. Подача (S, мм/об)
На сверлильном станке - это перемещение инструмента за один оборот шпинделя.
3. Если припуск превышает рекомендуемую глубину резания, то обработка ведется за несколько проходов (i)
(4.2) где hоб - общий припуск;
t - рекомендуемая глубина резания.
4. Скорость резания - это относительное перемещение режущей кромки резца относительно обрабатываемой поверхности в единицу времени (V, м/мин)
(4.3) где Vm - табличная скорость резания (Vm = 24 м/мин);
К1 - коэффициент зависящий от обрабатываемого материала (К1 = 0,8);
К2 - коэффициент зависящий от стойкости и марки твердого сплава (К2 = 1,25);
К3 - коэффициент зависящий от вида обработки (К3 = 0,8).
Число обработки шпинделя nkop, мин-1:
(4.4)
Действительная скорость резания Vдейс, м/мин: ; (4.5) n = 250 об/мин;
Фрезерование - торцовая фреза.
Sz = 0,08…0,12 - подача на один зуб фрезы;
t = 2…5 мм - глубина резания;
b = 100 - ширина заготовки;
Тм = 200 - стойкость фрезы в минутах;
D = 150 мм - диаметр фрезы;
Z = 14.
(4.6)
.
Скорость резания (V, м/мин):
где Vm - табличная скорость резания (Vm = 280 м/мин);
К1 - коэффициент зависящий от размеров обработки (К1 = 1,1);
К2 - коэффициент зависящий от стойкости обрабатываемой поверхности и ее твердости (К2 = 0,75);
К3 - коэффициент зависящий от стойкости и материала инструмента (К3 = 0,5).
По рассчитанной скорости резания определяется частота вращения шпинделя (об/мин)
(4.7)
n = 200 об/мин (по паспорту станка).
Определяем фактическую подачу
Концевая фреза. t = 10; D = 3
Вывод
Применение на практике разработанного в дипломном проекте станка экономически выгодно и позволит: улучшить качество получаемой продукции;
получить годовой экономический эффект 1002213,1 рублей при относительно небольшом сроке окупаемости - 0,5 года.В результате проведенного анализа рубительных машин предложена реконструкция машины МРН - 150 позволяющей перерабатывать воздухосушные и мерзлые балансы. В конструкторском разделе выполнен расчет вала и подбор подшипников. В разделе технологии машиностроения разработана маршрутная карта изготовления детали (подкладки под нож). В разделе безопасности и экологичности проекта описаны средства защиты и способы безопасной эксплуатации оборудования. Так как рубительная машина это источник повышенного шума в проекте произведен расчет шумоизолирующего кожуха. В экономической части приводится обоснование эффективности данного проекта (нормальная фракция (I сорт) увеличилась с 24,9 % до 66,8 %; мелкая фракция уменьшилась с 24 % до 10 %; процент опилок уменьшился с 16 % до 5 %). Срок окупаемости проекта составляет около 6 месяцев.
Список литературы
1. Вальщиков, Н. М. Рубительные машины [Текст] \ Вальщиков, Н. М. Лицман, Э. П.- М.: Лесная пром-сть, 1980. - 96 с.
2.Курицын, В. Н. Особенности резания мерзлой древесины [Текст] \ В.
Н. Курицын - М.: Лесн. пром-сть, 1981. - 105 с.
3.Любченко, В. И. Резание древесины и древесных материалов. Учебное пособие для вузов. 2-е изд. исп. и доп. [Текст] \ В. И. Любченко - М.: МГУЛ, 2002.-310 с.
4.Бершадский, А.Л. Резание древесины [Текст] \ А. Л. Бершадский, Н.И.
Цветкова - Минск, 1975- 304 с.
5.Ивановский, Е. Г. Новые исследования резания древесины [Текст] \ Е.
Г. Ивановский, П. В. Василевская, Э. М. Лаутнер - М.: Лесная промышленность, 1972. - 128 с.
6.Ивановский, Е. Г. Резание древесины [Текст] \ Е. Г. Ивановский - М.: Лесная промышленность, 1974. - 200 с.
7.Корчма, И. С. Теория и конструкция деревообрабатывающего оборудования. Проектирование деревообрабатывающего оборудования.
Выбор режимов и оборудования для распиловки и подготовки лиственницы к распиловки. Учебное пособие для проведения практических занятий, курсового и дипломного проектирования студентами специальностей
17.04.02 и 26.02.00 всех форм обучения [Текст] \ И. С. Корчма, Г. П. Карлов -
Красноярск: СИБГТУ, 2000. - 76 с.
8.ГОСТ 12.2.003. Оборудование производственное. Общие требования безопасности. - Введен с 01.01.76. - М.: Издательство стандартов, 1984. - 9с.- (Гос. Стандарт ССР).
9.Федеральный закон от 11 ноября 1994 г. №68-ФЗ «О защите населения и территории от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
10.Безопасность России. Правовые, социально экономические и научно технические аспекты. Региональные проблемы безопасности. - Красноярский край. - М.: МГФ «Знание», 2001. - 567с.
11. Обливин, В.Н. Безопасность жизнедеятельности в лесопильном производстве и лесном хозяйстве [Текст] \ Обливин, В.Н. Никитин, Л.И., Гуревич, А.А. - Москва, 1999.
12. ГОСТ 12.2.003-91. ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования безопасности.
13. ГОСТ 12.2.049-81. ССБТ. Оборудование производственное. Общие эргономические требования.
14. ГОСТ 12.2.009-99. ССБТ. Станки металлообрабатывающие. Общие требования безопасности.
15. ГОСТ 12.2.049-81. ССБТ. Оборудование производственное. Ограждения защитные.
16. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
17. ГОСТ 12.4.026-01. ССБТ. Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сигнальная.
18. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
19.Абрамкин, В.В.Экономика и организация производства на предприятиях целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей, нефтехимической и химической промышленности [Текст] \ В.В. Абрамкин, Ю.В.Завадская, Н.А.Никоненко - Красноярск: СИБГТУ , 2003.-36 с.
20.СТП 3.4.204.-01. Требования к оформлению текстовых документов.-
Красноярск, 23 с.
21.СТП 3.4. 105.-01. Дипломное проектирование. Требования к выполнению и представлению.- Красноярск, 27 с.
22.СТП 3.4. 205 -01. Требования к оформлению графических документов.- Красноярск, 54 с.
23.Улитин, Н. С. Сопротивление материалов [Текст] \ Н. С. Улитин, - Изд. 3-е, переработ. Учебник для строит. монтажных специальностей техникумов. М., «Высшая школа», 1969, 279 с.
Размещено на
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
