Влияние точности изготовления месильных лопаток на уравновешенность

рабочего вала смесителя непрерывного действия

Научный вестник НГТУ. – 2010. – № 3(40)

УДК 664.691/.694.02(571.14)

Влияние точности изготовления месильных лопаток
на уравновешенность рабочего вала смесителя
непрерывного действия[1]

Ю. И. ПОДГОРНЫЙ, Т. Г. МАРТЫНОВА

Разработана кинематическая схема двухвального смесителя непрерывного действия автоматической линии Braibanti. Построены пространственная система дисбалансов ротора смесителя и план дисбалансов, приведенных к двум плоским системам. Определены инерционно-массовые характеристики рабочего вала при номинальных размерах его элементов и ожидаемые отклонения от уравновешенного состояния при различной точности изготовления месильных лопаток. Представлены рекомендации по выбору точности их изготовления в зависимости от характеристик подшипников и частоты вращения ротора.

Ключевые слова: смеситель непрерывного действия, ротор, балансировка, уравновешенность, точность изготовления, дисбаланс.

ВВЕДЕНИЕ

Автоматическая линия по выработке длинных макарон итальянской фирмы Braibanti с 1990-х годов эксплуатируется на макаронная фабрика». В рамках договора о творческом сотрудничестве № 07 от 14.07.04, заключенного между НГТУ и макаронная фабрика», были проведены комплексные исследования с целью повышения производительности линии.

На начальной стадии проведения исследований были использованы статистические данные по отказам автоматической линии. В результате обработки данной информации получены графики отказов по отдельным агрегатам и по всей линии в течение десяти лет.

К наиболее проблемным участкам линии относится двухвальный смеситель непрерывного действия, установленный на прессе Cobra и предназначенный для окончательного перемешивания крошкообразной тестовой массы с целью равномерного распределения влаги и набухания крахмала Этот вывод подтвердили следующие факты.

1.  Процесс перемешивания, осуществляемый в смесителе, является наиболее продолжительным (около 20 мин), тогда как в предварительном он занимает 5–7 с и вакуумном 7–8 мин.

2.  В соответствии с технологическим процессом наибольшее количество смеси (около 300 кг), находящееся единовременно в рабочей камере, приходится на рассматриваемый смеситель.

3.  В случае остановки линии по каким-либо причинам повторный запуск оборудования затруднен в связи с изменением физико-механических свойств смеси, находящейся в рабочей камере.

4.  При повторном запуске линии после выгрузки смеси из рабочей камеры смесителя выход на стационарный режим занимают порядка 20 мин, что влияет на эффективность работы смесителя.

Длина рабочего органа смесителя (месильного вала или ротора) составляет 2300 мм вдоль оси вращения при диаметре вала 70 мм (подробнее см. [1]).

Имеющие большую протяженность рабочие органы смесителя непрерывного действия нуждаются в балансировке [2, 3].

Кроме того, в результате воздействия больших технологических нагрузок и агрессивной среды происходит интенсивное снижение эксплуатационных характеристик месильных лопаток и возникает необходимость их замены. Низкая точность выполнения этих элементов исполнительного механизма приводит к изменению инерционно-массовых параметров ротора. В связи с этим необходимы динамическая балансировка и разработка рекомендаций по точности изготовления элементов рабочего органа.

Цель работы – создание методики уравновешивания рабочего вала смесителя непрерывного действия с учетом точности изготовления его элементов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1)  разработана модель для балансировки рабочего вала двухвального смесителя непрерывного действия;

2)  определены минимальные и максимальные значения дисбалансов неуравновешенных масс в соответствии с квалитетами;

3)  выявлены ожидаемые отклонения значений корректирующих дисбалансов от их номинальных значений в зависимости от точности изготовления элементов месильного вала;

4)  разработаны рекомендации по выбору точности изготовления элементов рабочего вала.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ и результаты исследования

Рабочая камера двухвального смесителя непрерывного действия имеет форму двух соединенных между собой полуцилиндров. Внутри рабочей камеры горизонтально установлены два параллельно расположенных рабочих органа, на каждом из которых укреплены две скребковых и тридцать месильных лопаток, вращающихся как единое целое (рис. 1). месильным валам вращательное движение передается от электродвигателя посредством ременной и зубчатых передач. Дополнительное возвратно-поступательное движение сообщается рабочим органам от одного из месильных валов с помощью зубчатой передачи, червячного редуктора и кулисного механизма.

С помощью системы трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС были получены значения масс элементов ротора (месильных лопаток) m1, m2 , … m30 и расстояния e1, e2, … e30 до центров масс S1, S2, …, S30 при номинальных размерах.

Зная расстояния от одной из плоскостей приведения А до осей лопаток a1 = 70, a2 = 140, ..., a30 = 2100 мм (рис. 2, а) и углы между осью OY и радиус-векторами φ1, = φ5 = ... … = φ29 = 0º, φ2, = φ6 = ... = φ30 = 90º, φ3, = φ7 = ... = φ27 = 180º, φ4, = φ8 = ... = φ28 = 270º (рис. 2, б), рассчитаем значения дисбалансов неуравновешенных масс в соответствии с выражением [3]:

,

где – радиус-вектор центров масс элементов месильного вала (ротора).

Расчетная модель рабочего вала представлена на рис. 2.

В системе ротора происходит частичное взаимное уравновешивание дисбалансов, поэтому нет необходимости каждой неуравновешенной массе противопоставлять корректирующую массу [3].

Для уравновешивания ротора были назначены две плоскости приведения А и В, перпендикулярные оси вращения z. В этих плоскостях находятся центры масс скребковых лопаток (SсА, SсB), расстояние между которыми составляет l = 2170 мм.

Дисбалансы , , ..., всех неуравновешенных масс были приведены к плоскостям А и В, т. е. каждый вектор дисбаланса был заменен двумя, параллельными этому вектору и расположенными в плоскостях приведения А и В.

Рис. 1. Кинематическая схема двойной мешалки:

1 – рабочая камера; 2 – лопатка; 3 – рабочий орган; 4 – зубчатое колесо (z = 88, m = 5);
5 – зубчатое колесо (z = 23, m = 4); 6 – зубчатое колесо (z = 28, m = 4); 7 – муфта; 8 – червяк однозаходный (m = 6,3); 9 – червячное колесо (z = 30, m = 6,3); 10 – пластина; 11 – зубчатое колесо (z = 19, m = 5); 12 – зубчатое колесо (z = 47, m = 4); 13 – зубчатое колесо (z = 18, m = 4);  14 – шкив ведомый (D = 230 мм); 15 – шкив ведущий (D = 150 мм); 16 – электродвигатель

Рис. 2. Расчетная модель рабочего органа (ротора) двухвального смесителя непрерывного действия автоматической линии Braibanti:

а – пространственная система дисбалансов; б – схема расположения векторов корректирующих дисбалансов

Векторы дисбалансов, приведенных к плоскостям А и В, определялись в соответствии с выражениями:

где  – расстояние от i-го элемента месильного вала до плоскости приведения В;  – расстояние от i-го элемента месильного вала до плоскости приведения А.

В соответствии с расчетной моделью рабочего вала двухвального смесителя непрерывного действия, показанной на рис. 2, были получены значения величин дисбалансов при номинальных размерах лопаток (результаты исследований при номинальных размерах элементов рабочих органов смесителя приведены в [4]).

Кроме того, с помощью трехмерного твердотельного моделирования были построены объемные модели рабочего вала смесителя непрерывного действия с месильными лопатками, выполненными с различной точностью в соответствии с квалитетами с IT6 по IT18, а затем получены минимальные и максимальные значения дисбалансов с учетом точности изготовления месильных лопаток (см. таблицу).

Значения дисбалансов неуравновешенных масс элементов рабочего вала
в зависимости от точности их изготовления

Квалитеты	Значения дисбалансов
D i min мм·г	D i max мм·г
Номинальные размеры	67070,72	67070,72
IT6	67062,74	67122,40
IT7	67036,52	67148,62
IT8	67010,80	67174,34
IT9	66949,36	67235,78
IT10	66853,16	67331,98
IT11	66695,38	67489,76
IT12	66369,54	67815,60
IT13	66064,36	68120,78
IT14	65438,07	68747,07
IT15	64409,04	69776,10
IT16	63288,31	70896,83
IT17	59230,83	74954,31
IT18	50822,26	83362,88

В результате приведения пространственная система дисбалансов , , ..., (см. рис. 2) была заменена двумя плоскими системами (рис. 3).

Сложив дисбалансы, расположенные в каждой из плоскостей, получим:

;

.

Таким образом, неуравновешенность заданного ротора можно представить двумя скрещивающимися векторами дисбалансов и , расположенными в плоскостях приведения А (верхний многоугольник на рис. 3) и В (нижний многоугольник на рис. 3). В этом случае они будут одновременно и плоскостями коррекции.

Рис. 3. План дисбалансов (при номинальных
размерах элементов месильного вала)

В соответствии с [2] в качестве условия полной балансировки можно записать:

Значения корректирующих векторов при номинальных размерах элементов месильного вала составили DкA = DкB = 47516,9 мм × г. Их угловые координаты φкA = 137° и φкB = 134° показаны на рис. 2 в соответствии с планом дисбалансов (рис. 3) [4].

Методом математического моделирования уравновешивания рабочего вала при различной точности изготовления его элементов были найдены численные значения и угловые координаты корректирующих векторов и , причем с ростом квалитета увеличивались их отклонения от и , полученных при номинальных раз­ме­рах. В работе приводятся результаты исследований по большому количеству квалитетов, поэтому на рис. 4 показана типовая схема, отражающая примерную картину отклонения корректирующих векторов от номинальных значений при пониженной точности изготовления элементов рабочего вала.

Отклонения корректи­рующих векторов от номинальных значений до десятого квалитета были незначительными (0,05–0,50 %), поэтому рассматри­вались только лопатки, выполненные с более низкой точностью, охватывающей диапазон значений квалитетов от IT10 до IT18. По результатам анализа данных были получены наибольшие и наименьшие отклонения величин корректирующих дисбалансов от их номинальных значений в процентном соотношении. Результаты исследований обработаны с помощью пакета прикладных программ Excel и приведены на графике (рис. 5). По оси X обозначены номера квалитетов, по оси Y – отклонения величин корректирующих дисбалансов от их номинальных значений в процентном соотношении. Из графиков очевидно, что со снижением точности изготовления лопаток рабочего вала величина ожидаемых отклонений корректирующих дисбалансов возрастает, причем график, отражающий максимальные отклонения от номинальных значений, возрастает более резко, чем график, отражающий минимальные отклонения. Кроме того, при обработке экспериментальных данных получены аналитические зависимости минимальных и минимальных отклонений значений дисбалансов от номинальных с величиной достоверности аппроксимации от 0,9537 до 1. Для определения уравновешенности валов с более низкой и более высокой точностью изготовления их элементов можно воспользоваться полученными аналитическими зависимостями, которые с высокой степенью точности позволят определять их значения.

Рис. 5. Зависимость отклонений величин корректирующих дисбалансов от квалитетов.

Неуравновешенность ротора оказывает переменное давление на его опоры, в связи с этим критерием выбора точности изготовления лопаток являются грузоподъемность и ресурс работы подшипников.

Для получения зависимостей реакций в опорах от точности изготовления элементов ротора и частоты его вращения с помощью конечно-элементного программного комплекса ANSYS были построены 3D-модели рабочего вала с месильными лопатками, выполненными с различной точностью (от шестого до восемнадцатого квалитета). Причем расположение лопаток было выбрано с помощью нормального ряда случайных чисел в пределах каждого квалитета. Из полученных результатов были отобраны наибольшие значения реакций в опорах по каждому квалитету и обработаны в программе для обработки статистических данных Table Curve 3D. Результаты представлены в виде графиков на рис. 6 для неподвижной (рис. 6, а) и подвижной (рис. 6, б) опор. За неподвижную была выбрана опора, расположенная со стороны привода, а за подвижную – опора, расположенная с противоположной стороны.

На полученных графиках (рис. 6, а и б) по оси Х отложены значения частот вращения
рабочего органа, по оси Y – реакции в опорах, по оси Z – номера квалитетов. Из графиков следует, что при высокой точности изготовления элементов месильного вала (IT10) и пониженной частоте вращения (25 мин–1) следует ожидать и незначительных реакций в опорах (около 407–432 Н), а при повышении частоты вращения (до 175 мин–1) и снижении точности изготовления (до IT18) реакции в опорах возрастают (до 424–452 Н).

а

б

Рис. 6. Зависимости реакции в опорах от частоты вращения ротора
и от точности изготовления его элементов:

а – для неподвижной и б – подвижной опор

Заключение

В работе получены следующие результаты.

1.  Разработана модель двухвального смесителя непрерывного действия, позволяющая проводить балансировку рабочих валов агрегата.

2.  После приведения пространственной системы дисбалансов к двум плоским расчитаны минимальные и максимальные значения дисбалансов неуравновешенных масс в соответствии с квалитетами. так, при IT6 минимальное значение составляет 67062,74 мм·г, максимальное – 67122,40 мм·г, а при IT18 минимальное значение 50822,26 мм·г, максимальное 83362,88 мм·г.

3.  Построены графики ожидаемых отклонений значений корректирующих дисбалансов от их номинальных значений в зависимости от точности изготовления элементов месильного вала. При низкой точности изготовления элементов рабочего вала (IT18) ожидаемые отклонения корректирующих дисбалансов от номинальных значений могут достигать 75 %.

4.  С помощью конечно-элементного программного комплекса ANSYS и программы для обработки статистических данных Table Curve 3D построены графические зависимости, позволяющие по известным максимальным значениям реакций в опорах и частоте вращения ротора выбрать допустимый квалитет точности изготовления его элементов. Так, при изготовлении элементов месильного вала по IT10 и частоте его вращения 25 мин–1 следует ожидать реакций в опорах около 407–432 Н, а при повышении частоты вращения до 175 мин-1 и снижении точности изготовления до IT18 реакции в опорах возрастают до 424–452 Н.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] , , Мартынова Т. Г. Кинематическая схема автоматической линии Braibanti // Сб. науч. тр. НГТУ. – 2006. – № 2(44). – с. 3–8.

[2] Теория механизмов и машин: учебник для вузов / , , и др.; под ред. . – М. : Высш. шк., 1987.

[3] , Теория механизмов и машин: учебник для вузов. – Л.: Судпромгиз, 1962.

[4] , Исследование уравновешенности рабочего вала мешалки непрерывного действия // Сб. науч. тр. НГТУ. – 2008. – № 2(52). – с. 41–46.

Юрий Ильич Подгорный, доктор технических наук, профессор кафедры проектирования технологических машин Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований – механика машин. Имеет более 100 публикаций, в том числе 3 монографии.

E-mail: *****@***fam. nstu. ru

Татьяна Геннадьевна Мартынова, ассистент кафедры проектирования технологических машин Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований – оборудование пищевых производств. Имеет 8 публикаций.

E-mail: *****@***fam. nstu. ru

J. I. Podgornyj, T. G. Martynova

Influence of accuracy of manufacturing kneading shovels on steadiness of a working shaft of the amalgamator of continuous action

Researches will be carried out according to the contract about creative cooperation № 07 from 14.07.04, the prisoner between Novosibirsk State Technical University and Open Society «Novosibirsk macaroni factory». At Novosibirsk macaroni factory since 1994 the automatic transfer line on manufacture of long macaroni Braibanti is maintained. The Considerable quantity of refusals is registered on twin-shaft the amalgamator of continuous action. Working bodies of the amalgamator have the big length and on 30 kneading and 2 scraper shovels. Accuracy of manufacturing of these elements influences steadiness kneading shaft.

The work purpose – working out of a technique of an equilibration of a working shaft of the amalgamator of continuous action taking into account accuracy of manufacturing of its elements.

As a result of the spent researches the model is developed for carrying out balancing of working shaft of the unit; the spatial system imbalance is led to two flat; the minimum and maximum values imbalance unbalanced weights are received; schedules of expected deviations of values correcting imbalance from their rating values depending on accuracy of manufacturing of elements kneading a shaft are received; the graphic dependences allowing on known maximum values of reactions in support are received and to frequency of rotation of a rotor to choose admissible quality class accuracy of manufacturing of its elements.

Key words: the amalgamator of continuous action, rotor, balancing, steadiness, accuracy of manufacturing, balancing

[1] Получена 24 мая 2010 г.