Расчет моечной машины для картофеля

       2.4 Технологический расчет

       Наименьшее  число оборотов, при котором сырье, находящееся в барабане, не отрываясь  от его стенок, начинает вращаться  вместе с ним, называется критическим  числом оборотов барабана моечной машины n_кр, об/мин.

       Критическое число оборотов барабана n_кр, об/мин

       

     (2.1)

где D_б – диаметр барабана, 3 м.

        об/мин

       Рабочее число оборотов барабана n_р, об/мин

       n_p = φ_б * n_кр     (2.2)

где φ_б – опытный коэффициент, 0,20.

       n_p = 0,20 * 24,42 = 4,88 об/мин

       Cкорость поступательного движения сырья вдоль барабана v_n, м/с

       v_n = k * D_б * tg β * n_p / 60     (2.3)

где β  – угол наклона барабана, 2⁰;

   k – коэффициент, учитывающий унос сырья водой и подъем сырья на высоту, меньшую диаметра барабана, 2.

       v_n = 2 * 3 * tg 2 * 24,42 / 60 = 0,0852 м/с

       По уравнению непрерывности потока можно определить площадь поверхности барабана f, м²

       f = Q / ( v_n * φ_б * ρ_c )     (2.4)

где Q –  производительность, 1,5 т/ч или 0,41 кг/с;

   ρ_c – насыпная масса сырья, 640 кг/м³.

       f = 0,41 / (0,0852 * 0,20 * 640 ) = 0,0375 м²

       Длина моечного барабана L_б, м

       L_б = f  / ( П * D_б )     (2.5)

       L_б = 0,0375 / (3,14 * 3) = 3,9808 м

       Мощность  двигателя барабанных моечных машин  непрерывного действия N, кВт

       

     (2.6)

где g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

        кВт

       2.5 Кинематический расчет

       В пищевой промышленности для проведения процессов мойки картофеля применяются машины, рабочим органом которых является медленновращающаяся оболочка барабана, располагаемая горизонтально, либо слегка наклонно. Картофель, обрабатываемый продукт, засыпается в барабан и при вращении последнего перемещается в осевом направлении, одновременно подвергаясь обработке водой.

       Размеры барабана определяются необходимым  объемом рабочего пространства. Внутренняя поверхность барабана бывает либо гладкой, либо с насадками, лопастями, винтовыми вставками. Снаружи на барабан устанавливаются бандажи (кольца прямоугольного, квадратного или коробчатого сечения) и венцовое зубчатое колесо. Каждый бандаж опирается на два ролика или две пары роликов, обеспечивающих свободное вращение барабана. Нагрузка от барабана с заполненным материалом передается бандажами на ролики (опоры) и далее на основание машины. Вращение барабана осуществляется через венцовое зубчатое колесо от привода. По обоим концам барабана устанавливаются камеры для загрузки и выгрузки материала, а также для отвода вторичного сырья.

       Время пребывания материала в гладком  пустом барабане зависит от длины барабана L, его диаметра D, угла наклона к горизонту β, угловой скорости вращения ω, параметров и расположения вставок, угла естественного откоса материала.

       Окружная  скорость не должна быть больше 1 м/с.

       Окружная скорость барабана v_б, м/с

       v_б = 0,5 Dω     (2.7)

где ω – угловая скорость вращения барабана, 0,21;

   D_б – диаметр барабана, 3 м.

       v_б = 0,5 * 3 * 0,21 = 0,315 м/с < 1 м/с

       Скорость перемещения продуктов в барабане в осевом направлении v₀, м/c

       v₀ = v_б * tg β     (2.8)

где β  – угол наклона барабана, 2⁰.

       v₀ = 0,315 tg 2⁰ = 0,011 м/с

       Время пребывания продукта в барабане Т, мин

       τ = L_б / v₀     (2.9)

где L_б - длина моечного барабана, 3,9808 м.

       τ = 3,9808 / 0,011 = 361,8909 с = 6,03 мин

       Коэффициент заполнения k₃ (отношение площади сечения барабана, заполненной материалом, ко всему поперечному сечению барабана)

       k₃ = f / F     (2.10)

где f - площадь сечения барабана, заполненная продуктом;

   F - площадь сечения барабана.

       Примем  k₃ = 0,1.

       Производительность  машины с гладким барабаном (пропускная способность гладкого барабана без учета влияния частиц продукта друг на друга, их отдаленности от оси барабана и угла естественного откоса) П, т/ч

       П = 0,785 k₃ D²ρ v₀     (2.11)

где ρ - плотность продукта, 1100 кг/м³.

       П = 0,785 * 0,1 * 3² * 1100 * 0,011 = 8,5486 кг/с = 512,916 кг/мин = 30,77 т/ч

       В соответствии с рекомендацией толщина стенки барабана δ, мм

       δ = 0,01D     (2.12)

       δ = 0,01D = 0,01 * 3 = 0,03 м = 30 мм

       При конструировании крепления барабана на башмаках и подкладках усиливающее кольцо вваривается в корпус. Головки башмаков попеременно располагаются обеим сторонам бандажа. Подкладки служат для лучшего центрирования бандажа.

       Для понижения местных напряжений и  распределения нагрузки на большее  сечение под бандажами и венцовым зубчатым колесом вваривается усиливающее  кольцо, толщина которого δ_К берется в 1,5-2 раза больше толщины барабана.

       Толщина усилившегося кольца δ_К, мм

       δ_К = 1,5δ     (2.13)

       δ_К = 1,5 * 0,03 = 0,045 м = 45 мм

       Сила  тяжести барабана с двумя усиливающими кольцами, изготовленными из стали СТ5, G_б, Н

       G_б = П * [(D + δ) δ + 0,2 (D + δ_К) δ_К] ρ₆g     (2.14)

где ρ₆ – плотность материала барабана, сталь, 7700 - 7900 кг/м³;

   g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

       G_б = 3,1416 *  [(3 + 0,03) 0,03 + 0,2 (3 + 0,045) 0,045] * 7700* 9,81 = 2807,4609 Н

       Сила тяжести продукта, находящегося в барабане, G_П, Н

       G_П = 0,785*0,1D²L_бρ_б9,81     (2.15)

       G_П = 0,785 * 3² * 0,1 * 3,9808 *1100 * 9,81 = 30348,9882 Н

       Суммарная сила тяжести барабана и продукта G_с, Н

       G_с = 2807,4609 + 30348,9882 = 33156,4491 Н

       Учитывая  на барабане наличие венцового зубчатого колеса и других неучтенных конструкций, примем G_с = 35000 Н.

       Примем, что барабан покоится на двух опорах. На каждую опору в этом случае будет  приходиться нагрузка, равная 0,5 * 35000 = 17500 Н. В каждой опоре имеется 2 ролика. Опоры роликов устраиваются так, чтобы обеспечить возможность их перемещения в радиальном направлении и вокруг оси вращения барабана.

       Примем  угол расположения ролика (угол, под которым расположена опора) γ = 30⁰.

       Реакция опоры Т, Н

       Т = 0,5G / cos γ     (2.16)

где G – сила тяжести части барабана с загруженным материалом, отнесенная к данной опоре.

       Т = 0,5 * 17500 / cos 30⁰ = 10103,6297 Н

       Сила, сдвигающая опору по горизонтали  относительно основания машины Т¹, Н

       Т¹ = Т sinγ = 0,5G / cos γ     (2.17)

       Т¹ = 10103,6297 * sin 30⁰ = 5051,8148 Н

       Сила, прижимающая опору к основанию машины Т¹¹, Н

       Т¹¹ = Т cosγ = 0,5G     (2.18)

       Т¹¹ = 10103,6297 * cos 30⁰ = 8749,9999 Н

       Примем, что опора и основание изготовлены  из стали, тогда коэффициент трения между опорой и основанием машины f  = 0,15.

       Усилие  среза болтов (считаем их незатянутыми), прикрепляющих опору к основанию машины Р, Н

       P = 0,5G ( tgγ – f )     (2.18)

       P = 0,5 * 10103,6297 * ( tg 30⁰ – 0,15) = 2158,8944 Н

       Ширина  бандажа b_б, мм

       b_б = Т / q     (2.19)

где   q - допускаемая   интенсивность   распределенной  нагрузки   по   длине   площадки касания бандажа и ролика, от 1 МН/м (для относительно быстро вращающихся барабанов) до 2,4 МН/м (для медленно вращающихся барабанов со скоростью 3-4 об/мин).

       b_б = 10103,6297 / (2,4 * 10⁶) = 4,2098 * 10^-3 м = 4,2098 мм

       Принимаем в соответствии с рядом нормальных линейных размеров Ra510 (Приложение «Нормальные линейные размеры по ГОСТ 6638-69, мм», [7]) b_б = 5 мм.

       Ширину  ролика b_р принимаем несколько больше ширины бандажа в соответствии с рядами нормальных линейных размеров. Ширину ролика в соответствии с рядом нормальных линейных размеров Ra5 принимаем (Приложение «Нормальные линейные размеры по ГОСТ 6638-69, мм», [7]) b_р = 6,3 мм

       При этом необходимо учитывать линейное удлинение барабана от температуры, если рабочая температура технологического процесса t_T больше температуры окружающей среды t₀. Надо учитывать еще и перемещение бандажа по ролику в связи с линейным удлинением барабана под действием рабочей температуры на длине расположения роликовых опор (Приложение «Температурные коэффициенты линейного расширения некоторых металлов», [7]). Температурный коэффициент линейного расширения стали в пределах указанных рабочих температур (20 – 100 ⁰С)   α. = 11,4 * 10^-6 l/°C

       Отдельные цилиндрические обечайки барабана соединяются сваркой двухрядными швами с накладкой из двух половин. Для достижения меньшего изгибающего момента (значительно меньше, чем при расположении опор по краям барабана) выбирается расстояние между опорами, равное 0.586L.

       Удлинение барабана l, мм

       l = α (t_T - t₀) L₁     (2.20)

где L₁ - расстояние между опорами, 0.586 L_б.

       l = 11,4 * 10^-6 (100 - 20) 0,586 * 3,9808 = 2,1274 * 10^-3 м = 2,1274 мм

       Для облегчения монтажа и большей  надежности работы опорного устройства ширину ролика в ряде случаев увеличивают  на 25-40 % по сравнению с шириной бандажа. Ширина ролика окончательная b_р = 6,3 мм.

       По  сравнению с шириной бандажа  увеличение ролика, %

       (6,3 – 4,2098) * 100 / 4,2098 = 49,65 %

       По  этому параметру ширину ролика увеличивать  больше не следует.

       Наружный диаметр бандажа D_н принимается равным сумме следующих величин: диаметра барабана D, удвоенной толщины ввариваемого усиливающегося кольца, удвоенных высот сочетаний подкладки под башмаки, самого башмака и бандажа.

       Зададимся высотой сечения бандажа, равной 30 мм; высотой сечения подкладки под башмаки, равной 5 мм; высотой сечения башмака, равной 1 мм.