Расчет конструктивных параметров

3.1 Схема нагрузок в элементах дробилки

Рис.7 Общая схема усилий в дробилке с простым качанием щеки

Для вычисления усилий в деталях дробилки определяют равнодействующую сил дробления R и место её приложения. Далее графическим построением находят силы, действующие на основные звенья и детали механизма дробилки. Нагрузка на дробящую плиту распределяется равномерно, а равнодействующая нагрузка приложена к середине плиты по высоте. Расчетная нагрузка Р_расч (МН) равна:

Р_расч = 1,5 · 2,7 · F_дроб = 4,1 · F_дроб, МН (10)

где F_дроб – активная площадь дробящей плиты, м².

Дробилки применяют для пород σ_сж ≤ 300 МПа. Для расчетов можно принять Р_расч = 2,7 МПа, увеличенную на коэффициент 1,5.

 

 

3.2 Расчет маховиков

 

Состоит в определении их суммарной массы m и диаметра D _м исходя из заданных значений неравномерности их вращения Δ. Принимается Δ = 0,015-0,035. Шкив-маховик насажен на один конец эксцентрикового вала, на другой – маховик. Они являются предохранительными устройствами (предотвращают поломки деталей дробилки при перегрузках). По формуле:

 

m= , кг (11)

где D = 1,0 м - диаметр маховика; задаемся предварительно с учетом того, чтобы окружная скорость обода маховика не превышала 30 м/с.

m=

 

3.3 Расчет распорных плит

Ведут по максимальным значениям сжимающего усилия Т_max и изгибающему моменту М_max

Рис. 8. Расчетная схема распорных плит

 

, МН (12)

где β = 84⁰ – угол между шатуном и плитой;

F_дроб = 0,56 м² для дробилки с загрузочным отверстием 0,9 × 1,2 м

Т_max = P_max / 2 cos β = (4,1· F_дроб) / 2 cos β = (4,1· 0,56) / (2· 0,104) = 1,1 МН

Найдем напряжение в плите

, МПа (13)

где F_п – площадь расчетного сечения распорной плиты;

а – расстояние от продольной оси плиты до линии действия силы T_max;

W – момент сопротивления изгибу сечения плиты.

 

При F_п = 0,56 м²; а = 0,05м; W = b · h²/6 = 0,835· 0,46² / 6 = 0,03 м³.

σ_max = 37,9 МПа < 115 МПа = σ_adm

 

3.4 Расчет шатуна

 

Выполняют на растяжение как балки на двух опорах с распределенной нагрузкой.

Рис. 9 Расчетная схема шатуна

Напряжение в шатуне σ (МПа) равно по формуле:

, МПа (14)

P_расч = 1,5Р_max = 1,5 N / ω · r; P_max = N / ω · r,

где F_Ш = 0,01м² – площадь поперечного сечения шатуна;

σ_adm =115МПа – допускаемое напряжение материала шатуна на

растяжение (для углеродистой стали № 30 по ГОСТ 1050-74).

Суммарное напряжение, возникающее в опасном сечении шатуна (МПа)

МПа (15)

где G – сила тяжести шатуна, Н;

m_Ш - единичная масса шатуна на единицу его длины, кг/м;

ω – угловая скорость шатуна в точке А, рад/с;

r – эксцентриситет приводного вала, м;

N – мощность двигателя, Вт;

Р_max – наибольшее усилие в шатуне за 1 оборот приводного вала, Н;

W – момент сопротивления поперечного сечения шатуна, м³.

< 115МПа.

 

3.5 Расчет подвижной щеки

 

Ведут на изгиб как балку с одной стороны закрепленную шарнирно (ось подвеса, эксцентриковый вал), с другой стороны опирающуюся на распорную плиту.

Рис. 10. Расчетная схема подвижной щеки

Усилие Т_max (Н) раскладывают на две составляющие: Т₁ = Т_max·cos γ – нормальную к поверхности щеки; Т₂ = Т_max· sin γ – вдоль щеки; γ = (90 – δ) – (90 – α) = α – δ.

Усилие дробления Q (H) определим из условия равновесия Σ M_C = Q· l ₁ – T₁ l = 0

Q = Т_max · cos (α – δ) · l / l ₁, Н (16)

Суммарное напряжение в щеке:

МПа (17)

где М_И – изгибающий момент в опасном сечении щеки, Н·м;

W – момент сопротивления щеки, м³;

F_ЩК – площадь поперечного сечения щеки, м²;

Т_max = P_max/2 cos β = 1,5 ·2,7 F_дроб / 2·сos β = 2,03· F_дроб / cos β, МН (18)

при β = 84⁰ → cos 84⁰ = 0,1045 Т_max = 2,03/0,1045· F_дроб =19,43 · F_дроб

Т_max = 19,43·0,56 = 10,8 МН;

(F_дроб = 0,835· 0,67 = 0,56 м²).

Q = 7,5· cos 14⁰· 3/2 = 10,9 МН; (19)

γ = (α + β – 90⁰) = 14⁰;

W = 2· 0,5²/6 = 0,08 м³; (20)

F_ЩК = 2· 4 = 8 м²;

cos γ = 0,967;

sin γ = 0,245.

> 115 МПа.

Условие не выполняется. Следовательно, необходимо изменить либо размеры щеки, либо марку стали с более высоким значением допускаемого напряжения по табл. 1.

Таблица 1 – Допускаемые напряжения σ_adm, МПа для углеродистых и низколегированных сталей

Расчётная температура, 0С	Марки сталей по ГОСТ 1050-74
ВСт3		20, 20К	09Г26, 16ГС	10Г2, 09Г2	17ГС, 17Г1С, 10Г2С1

3.6 Расчет станины

Выполняют как упругую симметрично нагруженную раму прямоугольной формы, в углах которой при изгибе возникают опорные моменты М₀. Поперечные стенки рассматривают как балки на двух опорах, нагруженные силой Q и моментом М₀. Продольные стенки - как балки нагруженные на концах моментом М₀. За счет жесткости соединения стенок при их изгибе углы поворотов θ₁ и θ₂ одинаковы. Каждый угол равен опорной реакции от фиктивной нагрузки стенки, площади эпюры моментов, деленной на жесткость стенки ЕJ.

 

 

Рис. 11. Расчетная схема станины

Напряжение в поперечной стенке σ₁:

, МПа (21)

Напряжение в продольной стенке σ₂:

МПа (22)

где l ₃ и l ₄ - длины стенок станины, м;

I₁ и I₂ – моменты инерции стенок, м⁴ ,

W₁ и W₂ – моменты сопротивления стенок, м³;

F_ст – площадь поперечного сечения продольной стенки, м²;

Q – усилие дробления, Н.

 

, м⁴ (23)

, м⁴ (24)

, м³ (25)

, Н (26)

Станина выполняется в виде цельной массивной стальной конструкции. Она обеспечивает жёсткость всей дробилки при усилиях, возникающих при дроблении прочных материалов в несколько сотен тонн.

Задаёмся длинами поперечной и продольной стенок станины l₃ = 1,6м;

l₄ = 2,5м. Тогда:

l = 3 м; l₁ =2 м;

F_ст = 1,6· 0,5 = 0,8м²;

.

Для марки стали ВСт3 σ_adm = 140 МПа.

 

 

4.5. Маховик

 

Рис. 4.5. Схема маховика

Расчет маховиков состоит в определении их суммарной массы m и диаметра D _м исходя из заданных значений неравномерности их вращения Δ. Принимается Δ = 0,015-0,035. По формуле:

Для щековых дробилок η = 0,65 ÷ 0,85. Диаметром маховика (D) можно задаться предварительно с учетом того, чтобы окружная скорость обода маховика не превышала 25-30 м/с.

 

m= (172,8 0,75)/ (2 3,14² 1² 6³ 0,025 )=1300 кг

 

В качестве материала для изготовления шатуна возьмем рекомендуемый материал- чугун СЧ 18-36 ГОСТ 1412-85.

4.6. Эксцентриковый вал

 

Рис. 4.6. Схема эксцентрикового вала

1- эксцентриковый вал; 2,3- шкив и маховик.

Эксцентриковый вал щековой дробилки подвергается изгибу и кручению. Если принять при первом приближении, что нагрузка на вал распределяется симметрично, то при режиме дробления максимальные усилия в подшипниковых опорах будут равны Р_ш/2, где Р_ш – усилия, возникающие в эксцентриковом валу при рабочей нагрузке. Усилия изменяются по пульсирующему циклу. Опасными будут сечения в местах изменения диаметра вала.

Напряжение изгиба определяется из выражения

σ _и = М_и/0,1d_в³,

где d_в – диаметр вала в сечении.400мм

σ _и =172,8 0,2/0,1 0,4³=5400 МПа

Напряжения кручения будут равны:

τ =М_кр/0,2 d_в³

М_кр=N/ω

М_кр=172.8/6,51=26,6 кНм

τ=26,6/0,2 0,4³=2078 МПа

В качестве материала для изготовления станины берем сталь сталь 40Х по ГОСТ 1050-88.

 

4.7. Подшипники

 

 

Рис.4.7. Расчетная схема подшипника

Нагрузка на подшипники вала изменяется практически по тому же закону, что и усилие дробления. Так как имеет место неопределенность в характере напряжения, то расчет производится сравнительным методом, используя данные о сроках службы подшипников аналогов проектируемой дробилки.

Срок службы подшипника определяется из выражения:

(nh)^0,3=C/Q_эквК_σК_T,

где n- число оборотов вала дробилки;

h- срок службы подшипников;

С- коэффициент работоспособности подшипника;

Q_экв - эквивалентная нагрузка на подшипники;

К_σ -коэффициент, учитывающий влияние характера нагрузки на срой службы подшипника;

К_T- коэффициент, учитывающий влияние температурного режима работы.

Срок службы подшипника для щековой дробилки СМД-111А при тяжелых и средних условиях работы дробилки равен 60 месяцев.

Для определения эквивалентной нагрузки;

Q_экв =(К_к *R_MAX+ m*A_MAX)*K_Э,

где R_MAX-максимальная радиальная нагрузка на подшипник;

A_MAX- максимальная осевая нагрузка;

m- коэффициент, учитывающий неодинаковое влияние радиальной и осевой нагрузки на срок службы подшипника;

К_к- коэффициент, учитывающий зависимость срока службы подшипника от того, какое кольцо вращается относительно вектора нагрузки;

K_Э- коэффициент, учитывающий непостоянство действия максимальной нагрузки.

Для щековых дробилок: К_к=1, К_σ =2, К_Т=1, K_Э=0,1

Выбираем подшипник легкой серии №312. Данные берем из таблиц 9.4.1.,9.4.2.,9.4.3. по ГОСТ 3395-89, ГОСТ 8338-75. Размеры подшипника d=60мм, D=130 мм, В=31 мм, С₀=48460 Н, С_r=62880 Н, предельная частота вращения при консистентной смазке n=4000 мин^-1.

Для соотношения F_a/C₀=2500/48460=0,052. Находим l=0,25; F_a/VF_r=0,357>l. Следовательно, x=0,56; y=1,76

Q_экв= F_r=(0,56*1*7000+1,76*2500)*1,3*1=100816Н.

Ресурс принятого подшипника, миллионов оборотов

L=(C_r/P_r)³=(62880/10816)³=196,5;

L_h=10⁶*L/60 n=10⁶*196,5/60*250=13100ч. Потребный ресурс L_h=12500ч.

При заданном ресурсе вероятность безотказной работы несколько выше 90%. Следовательно, подшипник средней серии №312 подходит. Материал для вкладыша подшипника принимаем бронзу Бр. ОЦС 6-6-3.

 

4.8. Оттяжные пружины

 

 

Рис. 4.8. Схема оттяжной пружины

 

Оттяжные пружины должны предотвращать раскрытие шарниров распорных плит. Усилие, раскрывающее шарниры распорных плит, определяется при кинетостатическом расчете механизма дробилки для положения, соответствующего минимальной разгрузочной щели, т.е. когда подвижная щека приближена к неподвижной.

Усилие оттяжных пружин определяется из соотношения:

Р_ПР=n_p*R*l_R/l_ПР,

где n_p-коэффициент запаса (1,5-2,0);

R- составляющая усилия, раскрывающая шарниры распорных плит, действующая на подвижную щеку;

l_R- плечо силы R относительно оси вращения;

l_пр- плечо силы P_пр относительно оси вращения.

Р_ПР=1,5 63 0,2/0,33=57кН

Деформация пружин, соответствующая усилию P_пр равна:

S_пр=n_s*S_n,

где n_s-коэффициент запаса хода (1,5-2,0);

S_n-ход тяги пружины, соответствующий ходу подвижной щеки;

S_пр=1,5 37,5=56,3мм.

Жесткость пружины определяется из выражения:

z= Р_ПР/ S_пр

z=57/56,3=1Н/мм.

Усилие пружины при максимальной рабочей деформации равно:

Р_ПР^max=(S_пр S_n) z.

Р_ПР^max=(56,3 37,5)1=2111 Н

По ГОСТ 13768-86 Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения 1 класса, разряда 3 из стали круглого сечения выбираем пружины с максимальной деформацией от 140 до 6000 Н №176. Материал выбираем Сталь 60С2, ГОСТ 2052-65

4.9. Предохранительные устройства

 

Рис. 4.9. Схема пружинного предохранительного устройства

На практике используется большое количество предохраняющих устройств. Рассмотрим устройство, смонтированное на шкиве маховика дробилки, как наиболее распространенное из существующих типов предохранителей.

М_РАСЧ= β*М_С,

где М_РАСЧ - расчетный момент, передаваемый приводной муфтой;

β-коэффициент запаса сцепления,β=1,5;

М_С- момент сил сопротивления на валу дробилки.

Величина М_С определяется по установленной мощности электродвигателя дробилки. Для электродвигателя АК2-92-4 М_С=90кНм.

М_РАСЧ=1,5 75=135 кНм.

Усилие пружин фрикционных дисков предохранителей муфт определяется по величине расчетного момента:

Р_ПР=2* М_РАСЧ/D_ср*f*z,

где D_ср- средний диаметр рабочей части дисков;

D_ср=(32М/π[σ])^1/3= (32 135 1000/3,14 590)^1/3=28,6 мм

f- коэффициент трения;

z- число пар трущихся поверхностей;

Р_ПР=2 135/28,6 0,001 1,5 4=157,3 кН

4.10. Уравновешивание сил инерции

кинематического механизма дробилки

 

 

Рис. 4.10. Схема противовеса

 

Силы инерции механизма дробилки уравновешиваются при помощи противовесов, которые обычно устанавливаются на ободе маховика.

Наиболее целесообразной формой противовеса, отливаемого на ободе шкива и маховика или крепящегося к ним болтами, является круговой сегмент.

Для определения конструктивных размеров противовеса в виде кругового сегмента используется зависимость:

sinφ/2=(38,548/ Р_ПР) (1,02 P_ин/ S_пр ρ n²), град

где φ- центральный угол кругового сегмента;

Р_ПР- радиус сегмента (внутренний радиус обода маховика, к которому крепится противовес, м);

P_ин- сила инерции, которую должны развивать противовесы;

S_пр- толщина противовеса,м;

ρ- плотность материала противовеса, кг/м³;

n- число оборотов маховика, с^-1.

Значения неуравновешенных сил инерции сравниваются с максимально допустимыми для дробилок с простым качанием щеки Р^max_ин=0,12G, где G-общая масса дробилки.

Sin(φ/2)=(38,548/157,3) (1,02 0,12 70000/0,3 7700 0,06)=0,55,

Тогда центральный угол кругового сегмента 66°

 

 

Спецификация дробилки

 

Материалы для изготовления основных деталей дробилки были подобраны из расчетов технологических параметров. Для шатуна была принята сталь 25Л-I ГОСТ 977-88, для распорных плит-Чугун СЧ 18-36 ГОСТ 1412-85, для подвижной щеки- сталь 50Х ГОСТ 4543-71, для станины- сталь 50Х ГОСТ 4543-71, для маховиков- чугун СЧ 18-36 ГОСТ 1412-85.

Все данные по материалам деталей и ГОСТам к ним занесены в спецификацию на лист с чертежом общего вида дробилки СМД-110А.

Параметры дробилки

Параметр дробилки	Параметр, ГОСТ	Параметр, расчет
Угол захвата α, град	200	200
Ход подвижной щеки S,мм
Частота вращения приводного вала n, об/мин		2,31
Производительность щековой дробилки П, м3/ч
Мощность привода машины N, кВт		86,4

 

Материалы деталей дробилки:

 

Деталь дробилки	Материал, ГОСТ	Материал, расчет
Станина	Сталь Ст.3,ГОСТ380-94 Сталь 25Л-1,ГОСТ 977-88 Сталь 35Л-1,ГОСТ 977-88	Сталь 50Х, ГОСТ 4345-71
Подвижная щека	Сталь Ст.3,ГОСТ380-94 Сталь 35Л-1,ГОСТ 977-88 Сталь 65ГЛ,ГОСТ 1050-88	Сталь 50Х, ГОСТ 4345-71
Пружина замыкающего устройства	Сталь 35Г, ГОСТ 1050-88 Сталь 60С2, ГОСТ 2052-65	Сталь 60С2, ГОСТ 2052-65
Эксцентриковые валы	Сталь 40Х, ГОСТ 1050-88 Сталь 45, ГОСТ 1050-88	Сталь 40Х, ГОСТ 1050-88
Шатуны	Сталь 25Л-I,ГОСТ 977-88 Сталь 35Л-I,ГОСТ 977-88	Сталь 25Л-I,ГОСТ 977-88
Распорные плиты	Чугун СЧ 18-36 ГОСТ 1412-85 Чугун СЧ 24-34 ГОСТ 1412-85.	Чугун СЧ 18-36 ГОСТ 1412-85
Шкив и маховик	Чугун СЧ18-36, ГОСТ1412-85	Чугун СЧ18-36, ГОСТ 1412-85
Вкладыш подшипника подвижной щеки	Бронза Бр. ОЦС 6-6-3	Бронза Бр. ОЦС 6-6-3

 

 

Заключение

 

В данной курсовой работе я ознакомилась с принципом действия щековой дробилки с простым качанием щеки, ее деталями, выполнила чертеж общего вида с основными размерами и рассчитала основные технологические и конструктивные параметры дробилки.

В своей работе я рассмотрела щековую дробилку СМД-110А, технические характеристики которой были подобраны в соответствие с таблицей 3.1 учебно-методического пособия «Расчет технологических и конструктивных параметров дробилок для производства строительных материалов».

Все данные по материалам деталей и ГОСТам к ним занесены в спецификацию на лист с чертежом общего вида дробилки СМД-110А.

Сравнив технологические параметры, полученные по расчетам, с параметрами щековой дробилки СМД-ПОА по ГОСТу, я убедилась в правильности ее выбора. Материалы для деталей по расчету также схожи с рекомендуемыми ГОСТами.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Бауман В.А., Клушанцев Б.В., Мартынов В.Д. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. – М.: Машиностроение, 1981.

2. Денисов О.Л., Фаттахов М.М. Расчет технологических и конструктивных параметров дробилок для производства строительных материалов: Учебное пособие/УГНТУ, Уфа, 2009.

3. ГОСТ 14916-82 Дробилки. Термины и определения.

4. ГОСТ 27412-93 Дробилки щековые. Общие технические условия

5. Баталин Б.С. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов: Учеб. пособие/ПГТУ, Пермь, 2003.

6. Строительные машины: Справочник: В2т.Т.2: Оборудование для производства строительных материалов и изделий/ Под общ. ред. М.Н. Горбовца. – М.: Машиностроение, 1991.

7. Сергеев В.П. Строительные машины и оборудование. - М.: Высш.шк.,

1987.

8. Богданов В.С., Дзюзер В.Я., Ильин А.С. Дипломное и курсовое проектирование механического оборудования и технологических комплексов предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. Уч. пособие. 2006.