WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
А.С. КЛИНКОВ, М.В. СОКОЛОВ, В.И. КОЧЕТОВ, В.Г. ОДНОЛЬКО ИНЖЕНЕРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СМЕСИТЕЛЬНОГО И ВАЛКОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2010 Учебное издание КЛИНКОВ Алексей Степанович, СОКОЛОВ Михаил Владимирович, КОЧЕТОВ Виктор Иванович, ОДНОЛЬКО Валерий Григорьевич ИНЖЕНЕРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СМЕСИТЕЛЬНОГО И ВАЛКОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ Учебное пособие Редактор З.Г. Ч е р н о в а Инженер по компьютерному макетированию М.С. Анурьева Подписано в печать 20.08.2010 Формат 60 84 /16. 4,75 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 355.

Издательско-полиграфический центр ГОУ ВПО ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» А.С. КЛИНКОВ, М.В. СОКОЛОВ, В.И. КОЧЕТОВ, В.Г. ОДНОЛЬКО ИНЖЕНЕРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СМЕСИТЕЛЬНОГО И ВАЛКОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки магистров 150400 и 151000 Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2010 УДК 621.929.3(075.8) ББК Л710.2-5я73 И622 Р е ц е н з е н т ы:

Доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО ТГТУ Н.П. Жуков Кандидат технических наук заместитель директора ОАО "НИИРТмаш" В.Н. Шашков И622 Инженерная оптимизация смесительного и валкового оборудования : учеб. пособие / А.С. Клинков, М.В. Соколов, В.И. Кочетов, В.Г. Однолько. – Тамбов : Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. – 80 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0929-6 Рассмотрены современное состояние и перспективы развития расчёта и оптимизации конструктивных параметров смесительного и валкового оборудования для механической и физико-технической обработки полимерных материалов. Особое внимание уделено постановке и решению задач минимизации массы основных тяжёлонагруженных деталей применяемого оборудования.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки магистров 150400 «Технологические машины и оборудование» и 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» при выполнении курсовых проектов и магистерских диссертаций по разработке конструкций минимальной массы смесительного и валкового оборудования.

УДК 621.929.3(075.8) ББК Л710.2-5яISBN 978-5-8265-0929-© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ГОУ ВПО ТГТУ), ВВЕДЕНИЕ В условиях рыночной экономики предприятие по переработке полимерных материалов сможет оставаться конкурентоспособным лишь в том случае, если будет использовать современную технологию производства, прогрессивное оборудование минимальной металлоёмкости и затрачивать на производство минимальное количество энергоресурсов.

Перевооружение производства предусматривает привлечение существенных инвестиций. Более целесообразным, по нашему мнению, в сложившихся экономических условиях будет модернизация существующего оборудования путём замены его основных рабочих узлов и деталей на новые, спроектированные на основе современных методов расчёта, учитывающих минимизацию их массы и качество конечного продукта.

Базовым оборудованием для получения различных рулонных материалов, определяющих производительность линии и качество полученных изделий, являются смесительное и валковое оборудование: смесители периодического РС и непрерывного СН действия; вальцы и каландры. Основными рабочими органами этих машин являются:

обогреваемые (охлаждаемые) валки, вращающиеся навстречу друг другу с одинаковыми или различными окружными скоростями, оси которых расположены в горизонтальной плоскости; смесительные органы (роторы, шнеки), вращающиеся навстречу друг другу или в разные стороны с одинаковыми или различными окружными скоростями, оси которых расположены в горизонтальной плоскости.

Валки, станины, смесительные камеры, материальные цилиндры и другие несущие узлы смесительных и валковой машин должны обладать достаточными прочностными характеристиками и выдерживать расчётные силовые нагрузки.

В учебном пособии представлены новые методы расчёта, приведены алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие производить автоматизированный расчёт и проектирование конструкций смесительного и валкового оборудования. С их помощью можно рассчитать конструктивные параметры основных тяжёлонагруженных деталей при условии минимальной их массы и ограничениях на прочность их материала (жёсткость, устойчивость конструкции).

Разработанные авторами методики базируются на теоретических и экспериментальных исследованиях процесса пластикации, смешения и диспергирования высоковязких полимерных композиций в двухшнековых экструдерах и на валковых машинах.

1. РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЕЙ 1.1. Расчёт основных деталей резиносмесителей 1.1.1. Расчёт нижнего затвора резиносмесителя В существующих конструкциях резиносмесителей выгрузка приготовленной смеси осуществляется через отверстия, размещённые, как правило, в нижней части смесительной камеры. В смесителе типа Бенбери [1] разгрузочное окно закрывается скользящей дверцей, перемещаемой с помощью пневмоцилиндра. В ряде современных конструкций, например, в резиносмесителе типа РС [1] во избежание заклинивания скользящей дверцы в направляющих выполнен в виде откидной крышки с гидроприводом (рис. 1).

F Б Б 2 3 7 6 Рис. 1. Нижний затвор Основными конструктивными элементами механизма являются конусообразная запорная плита 3, укрепляемая через амортизирующие прокладки на опоре нижнего затвора 2. Запорная плита 3 и нижняя плита поворачиваются на 135° гидромотором, соединённым с валом 4. Для удержания запорной плиты в закрытом состоянии предусмотрено устройство, выполненное в виде клиновидной плиты 6, установленной в направляющей раме 7, и приводится в действие от поршня вспомогательного гидроцилиндра.



В процессе изготовления резиновой смеси на стенки камеры смесителя 8 и в частности на поверхность запорной плиты давление в серповидном зазоре при вращении роторов 1 может достигать до pmax = 4 МПа. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к расчёту на прочность и жёсткость нижнего затвора, подверженного действию усилия F, величина которого определяется как произведение давления pmax на площадь поперечного сечения запорной плиты Б-Б (рис. 1):

F = pmaxA0, (1) где A0 – площадь поперечного сечения запорной плиты плоскостью Б-Б, определяется по формуле А=аb [мм2].

Здесь а и b размеры разгрузочного окна в плане; pmax – максимальное давление резиновой смеси на поверхности запорной плиты в серповидном зазоре определяется по формуле [1]:

pmax=3mnRnNрn/(30nh0n), (2) где m и n – реологические константы резиновой смеси [1]; Rn – радиус смесительной камеры; Nр – частота вращения ротора смесителя; h0 – минимальный зазор, образованный площадкой гребня и стенкой камеры.

Существующая в настоящее время конструкция нижнего затвора, на наш взгляд, выполнена без должного конструктивного и прочностного анализа. Некоторые несущие элементы конструкции имеют чрезмерно завышенную массу, причём приблизительные методы расчёта не дают возможности вычислить концентрацию напряжений в зоне отверстий и определить радиусы перехода в местах сопряжений кронштейна с опорной плитой.

Основная цель данной работы предложить оптимальный вариант конструкции нижнего затвора, удовлетворяющего условиям прочности, жёсткости при минимальной массе.

Нижний затвор представляет собой пластинчато-стержневую конструкцию, состоящую из опоры (кронштейн), шарнирно закрепленной с валом и клиновидной плитой, и собственно самой клиновидной плиты, жёстко закреплённой в направляющие рамы. Усилие F через конусообразную запорную плиту в виде распределённого по площади давления p (МПа) передаётся на опору нижнего затвора (рис. 2). Расчётная схема нижнего затвора как пространственно ° пластинчато-стержневая система изображена на рис. 3, а. Распределённое по площади опоры p (МПа) давление заменено погонной нагрузкой q=F/l1, [Н/м], линия действия которой проходит через центр опорной площадки вдоль её наибольшей стороны.

Формы поперечных сечений опоры и клиновидной плиты показаны на рис. 2. При этом в целях упрощения вычисления геометрических характеристик поперечное сечение опоры (рис. 2) заменено равновеликим по площади и габаритам приведённым сечением (рис. 3, б) без учёта отверстий, что практически не сказывается при вычислении напряжений методом сопротивления материалов:

А=А1+А2+А3=b1h1+ b2h2+ b3h3, где А – площадь сечения без учёта отверстий и углублений; А1, А2, А3 – площадь сечений отдельных элементов опоры; b1, b2, b3 – реальные наибольшие размеры элементов опоры; h1, h2, h3 – толщины элементов опоры, определяются без учёта отверстий и углублений.

а р[Па] Опора Плита клиновая Кронштейн С D В М n А l2 с0 l l0 lСиловая линия М В А D С В (ц.т.) В М Рис. 2. Нагружение верхней платформы нижнего затвора RА МА А М'С МЕ А МА МЕ J = М max J DС J q 1 ММ С D Е Е J = Е Е МС ММ М К М М К М J J RВ RВ Э"М ","Мkp" u В В В В lМЕ-q2(l0-c0) МЕ l1/2 l1/Е Е С а) llМЕ в) МЕ-q2(l0-c0) у0 b4 F bх у у с Dц.и.

А М'С МА МЕ МС D + ММ х с цт C(х,у ) c с 1 Мкрс bRВ Э"Мu", "Мкр" RВ В В б) г) О bРис. 3. Расчётная схема нижнего затвора Для сечения рис. 3, б имеем следующие выражения его геометрических характеристик.

Координаты центра тяжести относительно случайных осей x0, y0:

A x1 + A2x2 + A3x3 A y1 + A2 y2 + A3y1 xc = ; yc =, (3) A + A2 + A3 A + A2 + A1 Момент инерции относительно осей xс, yс:

2 2 2 J = J + a1 A + J + a2 A2 + J + a3 A3;

xc x1 1 x2 xR 2 2 2 J = J + b1 A + J + b2 A2 + J + b3 A3;

yc y1 1 y2 y2 2 2 2 ' ' ' ' ' J = a1 b1 A + J + a2b2 A2 - J - a2b2 A2' + a3b3A3.

xc yc 1 x2 y2 x2 yУгол наклона главных центральных осей инерции 2J xc yc tg20 = -. (4) J - J xc yc Момент инерции относительно главных центральных осей x, y:

J + J J + J xc yc xc yc J = ± + J. (5) xy xc yc 2 Момент инерции кручения определяется по формуле 3 3 J = J + J + J = 1b1h1 + 2b2h2 + 3b3h3. (6) к к1 к2 кМомент сопротивления кручения:

J к Wк =, (n = 1, 2, 3), (7) J кn Wкn max где Wк = nhnbn, n, n – коэффициенты, зависящие от отношения h/b и приведены в [2].

В дальнейшем при исследовании напряжённо-деформированного состояния (НДС) элементов опоры наряду с осевыми моментами инерции нам потребуются секторальные геометрические характеристики сечения (рис. 3, б), так как отдельные участки нижнего затвора (рис. 3, в, участок СЕ) испытывают деформацию стеснённого кручения.

bуF у у х x2 у х ух - 2 1 1 Dц.и.

2 + + ц.т. ц.т.

x1 у2 ц.т.

Эпюра х[м] Эпюра у[м] x- 3 4 4 3 у3 уb3 х0 x3 xа) в) б) xc ' 01 у х + Dц.и. + Dц.и. 2 2 2 + 1 1 Dц.и. ' M ц.т.

М М ' [м2] 4 3 [м2] '[м2] 0 + + 3 - 3 + + 3A,M ' 4 3 0 г) д) е) Рис. 4. Эпюры секторальных характеристик сечения Перейдём теперь к вычислению секториальных геометрических характеристик сечения согласно рис. 4, а [2]. Для определения положения центра изгиба выбираем вспомогательный полюс в т. А0 (рис. 4, г), от которого строим эпюру секториальных координат 0 : для точки 1 01 = b1r1; для точек 2, 3 и 4 02 = 03 = 04 = 0, так как r2 = r3 = r4 = 0.





Здесь 0i (i = 1,..4) – секториальные площади; bi (i = 1,..4) – длины сторон прямоугольников; ri – перпендикуляр опущенный из полюса А0 на направление к средней линии сечения, проведенную через данную точку. М0 – точка, лежащая на средней линии сечения, называется началом отсчёта (в данном случае совпадает с полюсом А0 и точкой 3).

Эпюра секториальных площадей 0 построена на рис. 4, г.

Координаты центра изгиба точка D (рис. 4, г) относительно вспомогательного полюса А0 определяется по формуле с.

л.

S0 y S0x ax = - ; a = -, (8) y J J x y где S0 y и S0x – секториально-линейные статические моменты инерции:

S0 y = dA [м4 ]; S0x = dA [м4];

0 y 0 x S S A A Эти интегралы могут быть вычислены по способу Верещагина [2] путём умножения эпюры 0 на ординаты эпюр x и y, лежащие под центром тяжести площади 0. Эпюры x и y приведены на рис. 4, б, в. Построение этих эпюр не требует пояснений: откладываются расстояния точек средней линии контура сечения от оси ОХ (эпюра Х) и ОУ (эпюра У).

1 2 1 S0 x = 01b1 (x1+x2) - x2 ; S0 y = 01b1 (y1+ y2) - y2.

2 3 Координаты центра изгиба ах, ау (8) откладываются от вспомогательного полюса А0 с учётом знаков осей Х и У (рис. 4, г).

Для построения эпюры главных секторальных координат (рис. 4, е) необходимо определить положение главной секторальной точки М на контуре сечения. Для этого из главного полюса D (центр изгиба) строим эпюру секторальных координат 1, взяв за начало отсчётов произвольную точку 2 (рис. 4, д). Секторальные координаты: для точки 1 = r11; для точки 2 2 = 0; для точки 3 3 = r33 ; для точки 4 4 = 4 - r4b4. Здесь r1, r2,.. r4 – перпендикуляры, опущенные из центра изгиба D на направление к средней линии сечения. Соответствующая эпюра секторальных координат построена на рис. 4, д.

Положение главной секторальной координаты М определим по формуле S М =. (9) A Здесь секторальный статический момент S = может быть подсчитан как сумма произведений площадей hds эпюры ' на соответствующие толщине участков сечений:

1 1 S = 1b1h1 + 3b2h2 - 3b3h3 - (4 + 3)b3h3, 2 2 А – площадь сечения.

Найденная по формуле (9) координата М может соответствовать нескольким точкам (на участках 1-2, 2-3 и 3-4).

Однако в качестве главной секторальной точки выбирается та точка М, которая ближе к центру изгиба D (рис. 4, д).

М bM b2М Положение точки М на участке 3-2 находится из подобия треугольников: =, откуда bM =.

3 b2 Теперь строим окончательную эпюру секторальных координат (рис. 4, е) относительно найденных точек центра изгиба D и главной нулевой секторальной точки М:

2 = -r2bM ; 1 = 2 + r1b1; 3 = r2(b2 - bM ); 4 = 3 - r3b3.

Секторальный момент инерции J определяется по формуле 2 J = da = dshi [м6].

A A Выполняя интегрирование по способу Верещагина [2], получаем 1 J = 2b12h1 + (1 + 2 )b1 (1 + 2)h1 + 2b22h2 + 2 1 2 1 + (2 + 2 )b2 (2 + 3 )h2 + 3b33h3 + (3 + 4 )b3 (3 )h4. (11) 2 3 2 После определения геометрических характеристик сечения для расчётной схемы нижнего затвора (рис. 3, а) строятся эпюры изгибающих Ми и крутящих Мкр моментов. Эпюры Ми и Мкр приведены на рис. 3, в.

Далее записываем выражение для нормальных и касательных напряжений всех участков нижнего затвора.

Участок ВМ:

M Mи M max =, (12) Wx 1HM где Mи = Rbl3; Wx =.

Участок ЕС. Этот участок испытает стеснённое кручение и изгиб. Согласно [2] для участка СЕ напряжения будут иметь следующий вид:

– сечение Е: касательное напряжение E E Mкрh3 M S E = + ; (13) J J hk – сечение С: нормальные напряжения c c Mx M y B c = ymax + xmax +. (14) J J J x y Здесь Мкр – момент чистого кручения, достигающий максимального значения в сечении Е:

l qe0 l1 sh Mкp = -, l ch lql0 sh где М – изгибно-крутящий момент в том же сечении: M = ; S – наибольший секторальный l ch статический момент, лежащий ниже нулевой точки М эпюры (рис. 4, е):

1 1 S = 3(b2 - bM )h2 + 3nh3 - 4(b3 - n)h3;

2 2 В – изгибно-крутящий бимомент в сечении С, определяется по формуле ql0 B = 1- l1 ;

ch GJ к – изгибно-крутящая характеристика стержня = ; G – модуль сдвига материала стержня; Е – модуль EJ упругости материала стержня; l = e0 + c0 – эксцентриситет приложения нагрузки q по отношению к центру изгиба (точка D); Мх, Му – изгибающие моменты в сечении С, относительно центральных осей: Mx = Mc cos0;

M = Mc sin 0; хmах, уmах, – координаты точки сечения, где возникают наибольшие нормальные напряжения по y (знаку) от действия изгибающих моментов Мх, Му и изгибно-крутящего бимомента В, причём, если М > 0, то и В > (М < 0, B < 0); Jx, Jy – моменты инерции сечения относительно главных центральных осей, определяются по формуле (5).

Участок DA представляет собой клиновую плиту переменного прямоугольного сечения, защемлённую с одной стороны и загруженную с другой в месте контакта с опорой распределённой по длине В2 распределённой нагрузкой RD p2 = [H/м];

Bгде RD – реакция в шарнире D (RD = RA). Расчётная схема плиты приведена на рис. 5.

pcos p1= p2 tg М = D О у РКу х ху Рх К0 laL Рис. 5. Расчётная схема запорной плиты (клина) Напряжения в клине определяются методом теории упругости и имеют вид [3]:

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.