CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC 4.1 Động học máy ép viên con lăn cối trụ
4.3 Động lực học máy ép viên con lăn khuôn trụ
Việc tính chọn các thông số của con lăn cần căn cứ vào việc tạo ra sản phẩm và từng loại nguyên liệu đưa vào con lăn. Để hỗn hợp sản phẩm không bị kẹt trong khuôn cối ép nguyên liệu và được đẩy hết ra khuôn theo đúng chu kỳ thì năng suất hệ thống ép phải phù hợp với năng suất làm ra sản phẩm
Ta chọn thông số đầu vào:
Chiều rộng của con lăn : L= 110mm Đường kính trong khuôn ép: Dk= 450mm Đường kính lỗ ép viên trấu: d= 6mm Chiều dài của viên trấu: 30mm Năng suất máy ép trấu: 1500kg/h a.Tính toán các thông số ép của khuôn ép
Trong sản xuất các sản phẩm dạng viên, dạng hạt như viên trấu, mùn cưa, thức ăn gia súc… thường dùng khuôn ép có dạng một tấm kim loại hay hợp kim có khoan lỗ để ép viên qua đó, nó có thể có nhiều hình dạng khác nhau, hoặc giống nhau trên cùng một khuôn tùy theo mục đích như hình thang, hình trụ…
Số lượng lỗ được phân bố trên khuôn ép phụ thuộc vào kích thước cối, năng suất, cách phân bố các lỗ trên…
Ta chọn đường kính lỗ là 6mm khoảng cách giữa các tâm lỗ làm 10 mm, trên khuôn gồm 6 dãy lỗ, với đường kính lồng như trên ta tính được số lỗ trên lồng:
. 450 c=π d = π
Số lỗ một dãy trên lồng được tính:
450 141,37 n= 10π =
lỗ Ta chọn n = 140 lỗ.
Tổng số lỗ trên lồng 140.5= 700 lỗ
Theo công thức 26[1, trang 11] độ dài của một lỗ khuôn phải thỏa mãn:
1 max
. f . . .t d
p S L = ξ p C
(4.1)
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học Trong đó:
pmax : Áp suất nén lớn nhất , Mpa.
S: Tiết diện ngang của khuôn, m2 C: Chu vi của khuôn, m
ft: Hệ số ma sát tĩnh (ft =0,2 ÷ 0,25, ta chọn ft = 0,2) ξ: Hệ số biến dạng tương đối (ξ=0,4 ÷ 0,5)
Ta chọn ξ= 0,4.
Pd: Áp suất cạnh, pd = (0,4 ÷ 0,45) pmax, ta chọn pd = 0,4pmax
Do đó ta có:
max 1
. f . . .t d
p S L = ξ p C
=
2 max
max
46,875 0, 2.0, 4.0, 4. 2 0,064
p R R
p R mm π
π = =
Vậy chiều dài lỗ ép phải lớn hơn 46,875mm Ta chon chiều dài lỗ ép bằng 47mm.
Vận tốc trấu bị ép qua lỗ ép ta có thể tính theo công thức 2.314[1, trang 164]
3600. . 2. . . 4
k d m Z v
Q= π
(4.2)
=>
2
4 3600. . . . v Q
k d m Zπ
=
Trong đó:
k: Hệ số cản chuyển động của nguyên liệu khi qua các lỗ khuôn, k= 0,06 ÷0,07 ta chọn k = 0,07
d: Đường kính lỗ khuôn, m.
m: Số lỗ trên khuôn.
Z: Số con lăn, Z= 2÷3 , ta chọn Z=2.
v: Vận tốc nguyên liệu bị ép qua lỗ, m/s.
Q: Năng suất lý thuyết của máy ép, kg/h.
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
=>
2
4 3600. . . . v Q
k d m Zπ
=
=
3 2
4.1500
150 / 3600.0,07. .(6.10 ) .700.2 m s
π − =
Tiết diện tổng các lỗ ép trên khuôn ép:
Sx = 700
2
4 πd
= 19792 mm2 (4.3) Vì
ρ
mùn cưa = 300kg/m3 ρ
viên mùn cưa = 1100kg/m3
Tỉ số nén
1100 3,6 λ = 300 =
Chon H= 10mm ( chiều cao từ thanh gạt đến đường kính trong lồng)
Khi con lăn qua 1 lần chiều dài viên sẽ dài thêm
10 2, 7 3,6
H mm
λ = =
Khi đĩa quay một vòng tạo ra viên ép có chiều dài tăng thêm l≈5mm ta thu được thể tích các viên trấu là:
V= Sx.l = 19792.5 = 98960 mm3
Khối lượng riêng viên mùn cưa là ρ = 1100kg/m3
Do đó khối lượng viên trấu thu được sau một vòng quay của đĩa được là:
m= V.ρ= 98960.10-9.1100 =0.1 kg
Năng suất yêu cầu là 1500kg/h. Do đó số vòng quay của đĩa là:
1500 15000 0.1 =
vòng/h 250 vòng/phút Chọn n= 250 vòng/phút 5,9 m/s
So với điều kiện tốc độ quay của vòng khuôn :
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
Nếu như số vòng quay của vòng khuôn bé, thì vật liệu sẽ rơi vào phần dưới của vòng khuôn,như vậy theo chiều quay của vòng khuôn thì con lăn thứ 2 như không tham gia vào quá trình ép. Để thỏa mãn điều kiện này
Theo công thức 6.31 [2, trang 117] ta có : 1 v≥ gR
m/s (4.4) Trong đó : R1 – bán kính vòng khuôn
Suy ra:
1,5 v≥
m/s
Vậy với n= 250 vòng/phút thỏa điều kiện.
b. Lực tác dụng lên khối vật liệu trong lỗ ép:
Hình 4.3 sơ đồ tác dụng lực của con lăn
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
Vậy áp lực ép cần thiết:
.62
. 350. 9800
4
P Fr Fr P S N
S
= ⇒ = = π =
(4.5) Với P = 350 Mpa = 350 N/mm2
c. Kích thước con lăn
Lr Dr
Hình 4.4 Kích thước con lăn
Hai con lăn được lắp trên trục . chọn chiều dài Lr = 110mm và đường kính Dr.
Nguyên liệu ép liên tục được cấp từ trên xuống & bám vào bề mặt con lăn. Do chuyển động quay của trục 2 từng lớp nguyên liệu bị ép vào các lỗ ép. Áp suất lớn được sinh ra do lực ép và ma sat. Áp suất này giúp nén chặt các hạt nguyên liệu lại với nhau. Quá trình này làm những viên ép bị đẩy ra khỏi khuôn.
Lực ép sinh ra từ con lăn Fr cũng đồng thời là lực ly tâm vậy : . 2
r r
F m v
= R
(4.6)
2 2
6 2
. . . .
9800
7800. . .110.10 .5,9 9800
104 208
r r
r r
r r
R L v R
R
R D mm
ρ π
π −
⇔ =
⇔ =
⇔ = ⇒ =
d. Điều kiện để quá trình ép viên xảy ra.
Nguyên liệu bột bị con lăn đưa vào vùng ép, biến dạng chủ yếu là dựa vào ma sát giữa bề mặt khuôn ép và con lăn khi xét trạng thái lực nhận được của nguyên liệu bột trên từng đoạn nhỏ của vùng cấp liệu gần với vùng ép biến dạng.
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
Hình 4.5 Sơ đồ góc lấy liệu của con lăn
.
Hình 4.6 Phân tích lực xảy ra trong quá trình ép.
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
Bề mặt ngoài của con lăn sẽ kéo nguyên liệu vào điểm giới hạn của vùng biến dạng đường cắt tại A ở con lăn và với mặt trong của khuôn ép tại A1.
Hai đường tiếp tuyến tại A của con lăn và tại A1 của khuôn ép cắt nhau tại C.
- Phân tích lực nhận được của nguyên liệu. Xét ∆ACA1 lấy C làm gốc dựng hệ trục xoy với CA1 là trục X lập sơ đồ.
Theo hình vẽ góc ACA1 = DAO = β (β đặt là góc lấy liệu) xác định điều kiện của β tức là xác định điều kiện của ép viên.
Trong ∆AC A1 : N là áp lực nhận được của quả lô ép.
F : là lực ma sát lô với bột
Q : là áp lực nhận được của khuôn.
T : lực ma sát khuôn với bột.
Nsinβ : là lực cản của bột tiến vào vùng biến dạng.
Lực nguyên liệu nhận được để đưa nguyên liệu vào vùng biến dạng Fcosβ + T
Mà F = N. f => Fcosβ + T = f.Ncosβ + f.Q (4.7) T = Q . f
Trong đó f là hệ số ma sát giữa quả lô khuôn với vật liệu bột.
Điều kiện để bột tiến vào khu vực ép biến dạng là : fNcosβ + f.Q ≥ N.sinβ
Trong đó Q là áp lực nhận được của khuôn do lực N của con lăn và lực T do ma sát khuôn với bột.
Q = Ncosβ + f Nsinβ Thay Q vào phương trình trên ta được
f.Ncosβ + f.Ncosβ + f 2.Nsinβ ≥ Nsinβ 2 f.Ncosβ + f2.Nsinβ ≥ Nsinβ
2 f.cosβ + f2.sinβ ≥ sinβ
= >
2
2 1 tg f
β ≤ f
− (4.8)
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
Từ đó có thể thấy góc β và hệ số ma sát f trở thành quan hệ tỉ lệ với thành phần của nguyên liệu. Hệ số ma sát f giữa lô, khuôn và nguyên liệu khác nhau thì góc lấy liệu β cũng khác nhau. Giữa nguyên liệu bột không giống nhau thì sự khác
của gúc β là tương đối rừ rệt nếu điều kiện
2
2 1 tg f
β ≤ f
− thì sẽ tạo được viên (vật liệu tiến được vào vùng ép biến dạng). Từ hình vẽ ta nhận thấy ứng với kích thước khuôn và lô ép nhất định góc β nhất định sẽ có vùng biến dạng nhất định và độ dày lớp vật liệu H tương ứng. Vật liệu đưa vào quá nhiều cũng không thể tăng được năng suất và tính chất của nguyên liệu hay hệ số ma sát f có ảnh hưởng đến việc tạo thành viên.
Với hệ số ma sát f = 0,2 giữa thép và mùn cưa
220
β≤
Từ sơ đồ ta có góc ACA1 = OAO1 = 220
Hình 4.7 Sơ đồ tính toán chiều cao cần thiết của lớp nguyên liệu khi ép Từ O1 dựng đoạn thẳng vuông góc với OA.
Xét ∆ADO1
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
0 1 1 .sin .sin 104.sin 22 39 O D O A= β =r β = = mm
0
1 . os . os 104. os22 96, 4 AD O A c= β =r c β = c = mm Xét ∆ODO1
2 2 2 2
1 1
O O 120 39 113,5
OD= −O D = − = mm
Chiều cao lớn nhất lớp mùn cưa là
1 1
AA ( ) 225 (113,5 96, 4) 15,1
h= =OA OA R− = − OD DA+ = − + = mm
Vậy với chiều cao h=10mm tính toán năng suất máy ở trên thỏa yêu cầu ép viên.
e. Tính toán công suất trong quá trình ép
Công suất tiêu hao của máy ép chủ yếu khắc phục các ma sát lăn, ma sát trượt ở con lăn và sức cản của các tấp gạt liệu, cũng như ma sát ở trong các gối trục.
Theo công thức 6.56 [2, trang 125] ta có:
N= N1+N2+N3 (4.9) Trong đó:
N1: Công suất tiêu hao để khắc phục ma sát lăn của con lăn với vật liệu, W.
N2: Công suất tiêu hao để khắc phục ma sát trượt của con lăn với vật liệu, W.
N3: Công suất tiêu hao cho tấm gạt vật liệu, W.
Tính N1 : Dựa vào công thức 6-48 [2, trang 122]
1 3
0,01.9800.5,9.2
11119 104.10
N = − = W
Trong đó:
f: Hệ số ma sát lăn, thường lấy f = 0,005 ÷ 0,01;
P: lực ép lên vật liệu, N;
Z: số con lăn;
R: bán kính con lăn, m;
V: vận tốc con lăn, m/s;
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
[ ]
1 3
0,01.9800.5,9.2
11119 W 104.10
N = − =
Tính N2: Dựa vào công thức 6-50 [2, trang 122] [ ]
N = . . .2 f P Z v W
(4.10) f: Hệ số ma sát trượt, thường f = 0,1 ÷0,2. Chọn f=0,2
Z:Số lượng con lăn.
P: Lực ép cần thiết để ép vật liệu.
V: vận tốc trượt con lăn với vật liệu.
N = 0, 2.9800.2.5,9 231282 = [ ]W Tính N3:
Công suất tiêu hao do các tấm gạt vật liệu gây nên thường lấy tang lên 20%
đến 30% tổng hai công suất trên.
Vậy công suất cần thiết để ép vật liệu bằng:
N = (N1+N2)(1,2 ÷1,3) (4.11) N = (11119+23128).1,3 = 44521 [W] = 44,52 [KW]
Công suất của động cơ điện sẽ là: Dựa vào công thức 6-58 [2, trang 124]
3 3
dc
44521
.10 .10 63,6[ ]
0, 7
N N KW
η − −
= = =
Trong đó η : hiệu suất của bộ truyền, lấy bằng 0,6÷0,8.
Chọn động cơ điện:
Dựa vào bảng P1.3 [3, trang 237]
ta chọn động cơ 4A280S6Y3 có công suất 75 kW, số
vòng quay của trục chính 980 (vòng/phút), cosφ = 0,89 η
= 0,92 ,
ax m
dn
T T
= 1,9 Phân phối tỉ số truyền cho hệ thống truyền động:
Tỉ số truyền của hệ thống dẫn động:
Chương 4. Thiết kế động học, động lực học
u 980 3,92
250
dc
t d
lv
u n
= = n = =
(4.12)
Tính toán momen xoắn trên các trục theo công thức 3.4
[5, trang 86]
6 663,6
9,55.10 9,55.10 619776
980
dc dc
dc
T P Nm
= n = =
(4.13)
6 1 6
1
1
44,52
9,55.10 9,55.10 1700664
250
T P Nm
= n = =
(4.14) 4.4 Thiết kế bộ truyền đai thang
Theo hình 4.22[4,trang 153], dựa vào công suất 75kW và số vòng quay n1 = 980 vòng/phút. Ta chọn được loại đai là: D
Dựa vào bảng 4.3 [4,trang 128],, ta có bảng sau:
Dạng đai
Ký hiệu bt(mm) b(mm) h(mm) y0(mm) A(mm2) Chiều dài đai d1(mm) Đai
thang D 27 32 19 6,9 476 3150-1500 320-630