Валковые агрегаты для измельчения и переработки материалов. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине ''Механическое оборудование предприятий строительной индустрии''

Министерство образования Российской Федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет

ВАЛКОВЫЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине “Механическое оборудование предприятий строительной индустрии”

Составитель: Дамдинова Д.Р.

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2000

Методические указания по курсу “Механическое оборудование предприятий строительной индустрии” для студентов специальности 290600 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций и направлений 550100, 653500 - Строительство

Рецензент: Чимитов А.Ж.

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПО МЕХАНИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ. Выполнение курсового проекта по механическому оборудованию предприятий строительных материалов имеет целью систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний, углубленное изучение одного из вопросов, поставленных в проекте, овладение навыками самостоятельного решения инженерных задач, производства технических расчетов и графического оформления проекта. Курсовой проект выполняется в соответствии с требованиями современной передовой техники, с учетом норм технического проектирования и правил безопасности. Проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части. Расчетно-пояснительная записка содержит: 1) Титульный лист, согласно СТП ВСГТУ 10-99; 2) Задание на курсовой проект; 3) Подробное описание назначения, области применения, работы и особенности конструкции основных узлов и деталей проектируемого оборудования. Описание конструкции машины должно сопровождаться критическим анализом конструкцией подобного рода машин; 4) Кинематический расчет и расчет основных параметров: производительности, мощности, числа оборотов и др.; 5) Конструктивные расчеты на прочность основных узлов и деталей;

6) Основные правила эксплуатации и техники безопасности при работе данного оборудования; 7) Список использованной литературы. Расчеты необходимо сопровождать пояснениями, схемами и ссылками на используемые источники. Объем расчетно-пояснительной записки должен составлять 30-40 рукописного текста на листах формата 210х293. Кроме того, студентом могут быть представлены электронная версия расчетно-пояснительной записки и программа для определения параметров проектируемой машины с необходимыми пояснениями к использованию программы. Графическая часть проекта должна включать: а) общий вид механизма, машины или установки; б) общий вид проектируемых узлов; в) рабочие чертежи основных деталей (по указанию руководителя); Общий объем 2 листа формата А22. Чертежи общих видов машины, ее узлов и деталей должны иметь необходимое число проекций (не менее двух) и разрезов, обеспечивающих ясность и наглядность конструкции. Необходима на всех чертежах простановка основных размеров: привязочных, установочных, габаритных, посадочных с соответствующими допусками, а на рабочих чертежах деталей классов чистоты поверхностей. Спецификация основных узлов и деталей помещается на чертежах или в расчетно-пояснительной записке. В правом нижнем углу листа проставляется штамп установленной формы.

2. НАЗНАЧЕНИЕ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ВАЛКОВЫХ АГРЕГАТОВ Во многих отраслях промышленности строительных материалов (керамической, стекольной, цементной и др.) широкое распространение получили валковые агрегаты (валковые дробилки и вальцы), предназначенные для крупного, среднего, мелкого и тонкого измельчения материалов малой и средней прочности, удаления из глины каменистых включений и т.д. В валковых дробилках измельчение материала осуществляется раздавливанием, частично растиранием, ударом или изгибом между двумя вращающимися навстречу друг другу валками с гладкой, зубчатой или рифленой поверхностями. Достоинства валковых дробилок: простота устройства, надежность в работе, небольшой расход энергии. Недостатки: дробилка с гладкими валками может измельчать относительно небольшие куски материала, небольшая производительность, наличие вибрации и необходимость равномерного непрерывного питания валков во избежание снижения их эффективности. К недостаткам валковых дробилок можно отнести также неоднородный зерновой состав готового продукта с большим количеством плоских и удлиненных зерен. Наиболее распространены дробилки с гладкими валками, которые применяются для среднего и мелкого дробления пород средней прочности (σсж=150 Мпа), с рифлеными и зубчатыми валками, использующиеся для крупного и среднего дробления хрупких и мягких пород (σсж ≤ 80МПа). В производстве теплоизоляционных материалов используются дырчатые вальцы для измельчения глины и для попутного формования из нее гранул.

Валковые машины для измельчения и переработки материалов подразделяются на следующие группы: 1) валковые дробилки с зубчатыми, рифлеными и гладкими валками; 2) вальцы для переработки глиняных масс; 3) дырчатые и камневыделительные вальцы; 4) валковые агрегаты для тонкого измельчения (распушивания) материала – бегуны. Валковые дробилки в свою очередь классифицируются следующим образом. По назначению и форм рабочей поверхности: а) для тонкого, мелкого и среднего дробления материалов – с гладкой поверхностью валков, с продольными полукруглыми выемками на одном из валков (рис.1, а, б); б) для крупного дробления глинистых материалов с зубчатыми валками (рис.1, в); в) для среднего и мелкого дробления глинистых материалов и удаления камней – с одним гладким и другим рифленым валками (рис..1, д) и с валками, имеющими винтовую поверхность (рис.1, е). По методу установки подшипников валков: а) с одной парой подвижных и одной парой неподвижных подшипников (рис.1); б) с неподвижно установленными подшипниками; в) с подвижно установленными подшипниками у двух валков. По количеству валков в дробилках: а) с одной; в) с четырьмя. б) с двумя; По устройству привода: а) с редукторным приводом и карданными валами (рис.1, а); б) с шестеренчатым приводом (рис.1, в);

в) с ременной передачей (рис.1, б); г) с редукторным приводом и ременной передачей (рис.1, г).

Рис. 1. В шестеренчатом приводе ввиду подвижности валков шестерни выполняют с удлиненными зубьями, что снижает надежность его работы. Поэтому в современных конструкциях каждый валок имеет привод через карданные валы или индивидуальный привод.

3. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 3.1.

Валковые дробилки

По конструктивному исполнению валковые дробилки бывают одно-, двух- и четырехвалковые. В последнем случае одна пара валков располагается над другой, т.е. четырехвалковая дробилка представляет собой две двухвалковые дробилки, смонтированные в одном корпусе. Указанное сочетание пар валков обеспечивает двухстадийное дробление: грубое – верхней парой, тонкое – нижней. Степень измельчения составляет 16÷20. Валковые дробилки мелкого и среднего дробления имеют конструктивные оформления в виде валков с гладкой, рифленой или зубчатой поверхностью и различно оформленным приводом. Зазор между валками устанавливается 3-30 мм. Валки, подшипники, направляющие, пружинные амортизаторы и привод валков отличаются разнообразием конструкций. Привод валков осуществляется от электродвигателя через редуктор и карданные валы, которые обеспечивают передачу вращения валками. При разной окружной скорости валков с гладкой поверхностью они дробят материал раздавливанием и истиранием, а в дробилках с зубчатыми валками – ударом и изгибом. Для тонкого дробления материалов применяют валки с гладкой поверхностью. Зазор между валками составляет 12 мм. Для обеспечения, кроме раздавливающего воздействия, и истирающего валки вращаются с различной частотой и имеют, как правило, индивидуальный привод. Так как истирающее воздействие на дробимый материал интенсифицирует износ рабочей поверхности валков в

средней части, используются валки со сменными бандажами, изготовленными из закаленного чугуна, углеродистой или марганцовистой стали. Валковые дробилки, используемые в промышленности строительных материалов, имеют валки диаметром 0,4-1,5 м и шириной 0,4÷1,0 м. Степень измельчения в зависимости от свойств измельчаемого материала, конструкции валков и принципа действия дробилки следующая: для твердых пород – до 4, для мягких вязких – до 6÷8, при дроблении в зубчатых валках вязких глинистых материалов - 11÷12 и более. Производительность в зависимости от размера валков, частоты их вращения и вида измельчаемого материала колеблется от 1,4 до 27,0 кг/с (5÷100 т/ч) и более. Для среднего дробления глинистых пластичных материалов с одновременным удалением твердых включений (камней, инородных тел) используются камневыделительные (дезинтеграторные) валковые дробилки (рис.1, г). Валки имеют разные диметры, кроме того, большой валок с гладкой поверхностью, а меньший – с ребристой. Имеются камневыделительные дробилки (см.рис1,е), у которых один из валков выполнен с винтовой поверхностью. Глиняная масса подается в зазор между валками, при этом относительно крупные каменистые куски не затягиваются между валками и под действием винтовой поверхности выводятся из зоны валков. Определение угла захвата. Углом захвата α называют угол, образованный касательными, проведенными через точки соприкосновения куска материала с поверхностью валков. В момент захвата кусков материала диаметром d в точках

соприкосновения его с валками возникают силы нормального давления P, действующего на материал под углом α/2 (рис.2).

α

или ------ ≤ tg ϕ: α ≤ 2ϕ. 2 Следовательно, для нормальной работы валков необходимо, чтобы угол захвата был меньше двойного угла трения. На практике в большинстве случаев принимают α=32-48°, что соответствует коэффициенту трения f=0,3-0,45. Определение соотношения между диаметром валков и размеров кусков материала, поступающих в дробилку. Из рис.2 видно, что

Рис. 2. Сила P раскладывается на составляющие силы P cosα/2 и выталкивающую P sin α/2 . С другой стороны под прямым углом к силе P действует сила трения F=Pf, которая раскладывается на силу Pf sin α/2 и втягивающую материал Pf cos α/2. Очевидно, для нормальной работы валковой дробилки необходимо, чтобы было соблюдено условие 2 P sin α/2 ≤ 2 Pf cos α/2 (1) Разделив обе части неравенства на 2 P cos α/2, получаем

α

tg --- ≤ f 2 но f = tg ϕ ( ϕ - угол трения), тогда

(2)

α

tg --- ≤ tg ϕ 2

D d α D d’ --- + --- = ( --- + --- ) cos --2 2 2 2 2 или ’

(3)

α

D + d = ( D + d) cos --2 Разделив уравнение на d, получаем: D d’ D α --- + --- = ( --- + 1 ) cos --d d d 2

(4)

(5)

Принимая по данным практики d’/d=1/4 (т.е. степень измельчения d/d’ = 4), из уравнения получаем α α 1 D --- ( 1 - cos --- ) = cos --- - --(6) d 2 2 4

α D ( 1 - cos --- ) 2 откуда d = -----------------------(7) α 1 cos --- - --2 4 Величина коэффициента трения f кусков твердых пород (известняка, песчаника, гранита и т.д.) о поверхность стального валка в среднем равна 0,3, а для кусков влажной глины – 0,45. Для указанных значений f предельный угол β=α/2 составляет соответственно 16°40’ и 24°20’. Таким образом, отношение D/d для твердых пород D cos 10°40’ – 0,25 --- = -------------------------- ≈ 17 d 1 – cos 16° 40’

(8)

при дроблении глин карьерной влажности D cos 24°20’ – 0,25 --- = -------------------------- ≈ 7,5 d 1 – cos 24°20’

(9)

Для обеспечения надежного захвата материала валками дробилки полученные значения увеличивают от 20 до 25%. Обычно для гладких дробилок отношение D/d принимают равным 20, для зубчатых и рифленых валков – 2 ÷ 6, так как в последнем случае кусок материала затягивается при непосредственно захвате его поверхности рабочего органа.

Определение производительности валковых дробилок. Производительность валковых дробилок по массе, кг/с:

Qm = Bd’ VρK ,

(10)

где B – ширина валков, м; V – окружная скорость вращения валков, м/с; ρ - объемная масса дробимого материала, кг/м3; K – коэффициент, учитывающий использование ширины валков и степень разрыхления материала. Для твердых пород K = 0,2÷ 0,3, для влажных вязких материалов (глин) K= 0,4 ÷ 0,6. При измельчении твердых пород возрастает сопротивление раздавливанию: валки, сжимая пружины, раздвигаются на величину 1,25a. Тогда, если V = π Dn, то Qm = 1.25 π B d’ Dn ρ K (11) Частота вращения валков с учетом действия на материал, находящийся на вращающемся цилиндре, центробежной силы, определяется по формуле проф. Л.Б.Левенсона, с-1: f nmax ≤ 102,5 - -------(12) ρdD Практически с целью уменьшения износа поверхности валков частоту их вращения принимают равной nср = ( 0,4÷0,7 ) nmax. Окружная скорость валков составляет 2-7 м/с. Усилия в деталях валковой дробилки определяется нагрузкой, которая создается пружинами предохранительного устройства. Эта нагрузка зависит от многих факторов и может быть вычислена лишь приближенно.

Сила нормального давления, действующая на материал (усилие раздавливание), H: Pср = σсж F Kρ (13) где σсж – предел прочности материала при сжатии, H/м2, для мягких пород σсж =80МПа, для прочных σсж ≥ 150МПа (H/м2 = 10-6 МПа); F – площадь дробления, м2; Kρ коэффициент разрыхления материала (для прочных пород Kρ = 0,2 ÷ 0,3, для глины Kρ = 0,4 ÷ 0,6). Полагая, что F=Bl = BRβ, где l – длина дуги на участке измельчения материала, м; R=D/2 - радиус валка, м; β - угол дуги, рад, β = α /2. Формула (13) принимает следующий вид при дроблении твердых пород (β=16°40’ ): Pср ≈ 0,04 σсж BD (14) ’ при дроблении глин (β = 24°20 ): Pср ≈ 0,1 σсж BD (15) Полагая, что точка приложения среднего нормального давления находится на половине дуги l , находим ее значение:

β

P ср Г = Pср cos --(16) 2 Максимальная сила нормального давления на оси валков должна компенсироваться силой сжатия пружин подвижного валка. Мощность электродвигателя валковой дробилки, Вт: N1 + N2 + N3 Nдв=-------------------

η

(17)

где N1 – мощность, затрачиваемая на дробление материала, Вт; N2 – мощность, затрачиваемая на преодоление трения

материала о валок, Вт; N3 – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в цапфах валков, Вт; η - к.п.д. привода. Мощность, затрачиваемая на дробление материалов, Вт N1 = An = Pср Г S n (18) где Pср Г – среднее значение силы нормального давления, Н, Pср Г = Pср cos β /2; S – суммарный путь, который проходит точка приложения сил нажатия обоих валков на материал, м S= 2R (1 – cos β /2) (19) Мощность, затрачиваемая на преодоление трения материала о валок, Вт: (20) N2= f N1 где f - коэффициент трения материала о поверхность валков. Мощность, затрачиваемая на преодоление трения в цапфах валков, Вт: N3=πdц 2Gp fnp n (21) где dц – диаметр цапфы валков, м; Gp – результирующая сила от силы нормального давления Pср Г (считаем, что она направлена горизонтальна) и силы тяжести валка Gb, H; fnp – приведенный к валу коэффициент трения качения, fnp=0,001 Gp = √ P2ср Г + G2 B

(22)

По найденному значению потребной мощности Nдв подбирают электродвигатель и производят кинематический расчет механизма.

3.2.

Дырчатые вальцы

Дырчатые вальцы используются для вторичного измельчения влажной глины, а также при производстве керамзита путем формования из глины сырцовых гранул (см.рис.3).

Необходимые условия работы дырчатых вальцов – обеспечение втягивания формуемого материала в межвалковое пространство. Это достигается, когда сумма сил, выталкивающих материал, не превышает суммы сил, втягивающих материал, т.е. когда угол захвата α ≤ 2ϕ. При этом считается, что f1 + f (23) tg ϕ = ----------, 2 где f1 – коэффициент трения глины о глину, f1 =0,7; f – коэффициент трения глины о металл, f =0,3. Производительность дырчатых вальцов, кг/с: Q=mZn,

Рис. 3. Каждый из вальцов состоит из литого барабана, в ободе которого сделаны сквозные окна. Последние перекрываются стальными листами с овальными и круглыми отверстиями. Глиняная масса, захватываемая вращающимися навстречу друг другу вальцами, раздавливается, истирается, продавливается через отверстия корпуса барабана. Разгрузка сырцовых гранул осуществляется через полые торцевые поверхности формующих вальцов, так как их внутренняя часть выполнена в виде усеченных конусов, расширяющихся к открытым торцевым поверхностям. В остальном конструктивно дырчатые вальцы аналогичны валковым дробилкам.

(24)

где m – масса одной гранулы, кг; Z – количество отверстий на поверхности валков; n – частота вращения вальцов, c-1/ Масса одной гранулы, кг π d2 m= ------- l γ , (25) 4 где d - диаметр формуемого жгута (гранулы), равный диаметру отверстий на поверхности вальцов, м (в случае использования конусных отверстий диаметр жгута равен диаметру отверстия на внутренней поверхности вальцов); l - длина формуемого жгута, м; γ - объемная масса материала, кг/м3. Количество отверстий на поверхности вальцов 4 ВД Кисп z = -------------d2

(26)

где В – рабочая ширина вальцов, м; Д – диаметр вальцов, м; Кисп – коэффициент использования поверхности вальцов. Коэффициент использования вальцов Sотв πd2 (27) Кисп = ------ = ------ = 0,785 Sяч 4d2 где Sотв – площадь отверстий в элементарной ячейке. (Элементарная ячейка на поверхности вальцов состоит из четырех окружностей с центрами в вершинах квадрата, сторона которого равна диаметру окружности d). Коэффициент использования поверхности одного вальца Кисп ’ (28) К исп = ------ = 0,392 2 Уменьшение нерабочей поверхности, облегчающее процесс формования гранул, может быть достигнуто при использовании конусных отверстий с диаметрами окружностей на наружной и внутренней поверхности вальцов d√2 и d соответственно. При выборе длины формуемого жгута целесообразно пользоваться следующим условием: толщина стенки вальцов h с цилиндрическими отверстиями должна быть равна l, с коническими – hk меньше на величину, равную отношению объема усеченного конуса к объему цилиндра, диаметр которого равен диаметру меньшего основания конуса (при равных высотах): Vц Hk= l ----Vk

(29)

Если наружный диаметр конуса равен d√2, а внутренний – d, то

πd2 ---- l 4 3 hk = l --------------- = ---------- l ≈ 0,682 (30) πd2 l (3+√2) 3 + √2 --------------12 В реальных условиях для получения заданной длины жгута целесообразно использовать нож (струну), отделяющий материал от внутренней поверхности вальцов. Усилие формования гранул (распорное усилие), Н (31) Pср = σ F k = σ R β k где σ - предел прочности при сжатии, зависящий от физико-механических свойств материала (консистенции, влажности, минералогического состава и т.д.), для глин влажностью 15-17% σ=(7÷8)⋅105 , H/м2 (32) F – площадь контакта вальца с материалом, м2; k коэффициент разрыхления материала, R – радиус вальцов, м; β - угол обжатия материала в вальцах, рад. Мощность электродвигателя дырчатых вальцов, Вт: N1 + N2 + N3 Nдв = ------------------- ,

η

(33)

где N1 – мощность, затрачиваемая на формование гранул, Вт; N2 – мощность, затрачиваемая на преодоление трения материала о вальцы, Вт; N3 – мощность, затрачиваемая на трение в подшипниках вальцов, Вт; η - к.п.д. привода.

Мощность, затрачиваемая но формование гранул, Вт N1 = Kм A n (34) где KM – конструктивный коэффициент мощности, KM ≈ 21; A – работа, затрачиваемая на формование гранул, Дж. Дальнейшие расчеты аналогичны расчетам параметров валковой дробилки. Рекомендуемая литература: 1. Борщевский А.А., Ильин И.С., Механической оборудование предприятий строительной индустрии. М., Высш. школа,1986 2. Сапожников М.Я., Дроздов Н.Е. Справочник по оборудованию заводов строительных материалов. М., 1970 3. Константопуло Г.С. Примеры и задачи по механическому оборудованию предприятий сборного железобетона., М., Высш. школа, 1984.

ВАЛКОВЫЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине “Механическое оборудование предприятий строительной индустрии”

Составитель: Дамдинова Д.Р.

Подписано в печать 22.05.2002 г. Формат 60х84 1/16. Усл.п.л. 1,91, уч.-изд.л. 0,7. Тираж 30 экз. С. 139. Издательство ВСГТУ, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская,40,а ВСГТУ, 2002 г.