Разработка конструкции линии направлена на практическое воплощение принципиальных проектных решений. Конструкция линии обусловлена составом, устройством, параметрами и взаимным расположением ее частей: машин, аппаратов, приборов и другого оборудования, а также сборочных единиц и деталей, из которых это оборудование состоит.
Сущность конструирования. Процесс конструирования заключается в проведении графических и расчетных операций с целью выбора и обоснования таких вариантов конструктивных решений, которые обеспечивают разработку оптимальной конструкции, отвечающей требованиям технического задания по функционально-техническим параметрам, надежности, технологичности, безопасности, безвредности, эргономичности и эстетичности.
Все эти параметры и характеристики, прежде всего, зависят от заданной производительности линии.
Чтобы определить функционально-технические параметры оборудования, при конструировании производят технологические, кинематические, энергетические, теплотехнические и прочностные расчеты.
Технологический расчет. При таком расчете учитывают параметры, виды и особенности технологического процесса, осуществляемого на оборудовании разрабатываемой конструкции. В основу технологического расчета линии кладутся следующие материалы:
– техническое задание, в котором указаны производительность линии и групповой ассортимент готовой продукции;
– стандарты, рецептуры и технологические инструкции по выработке изделий;
– инструкции по определению производственных мощностей предприятий соответствующей отрасли пищевого подкомплекса АПК и другая нормативно-техническая документация.
Технологический расчет включает в себя расчеты размеров и скоростей рабочих органов конструкций, расчеты характеристик теплообменных поверхностей аппаратов.
Объемный расход любого i-го компонента, Wi, (м3/ч):
Wi = Птg i /(100ri),
где Пт – теоретическая производительность линии, кг / ч; gi – массовая доля i-го компонента в выпускаемой продукции согласно требованиям стандартов, рецептур и нормативно-технической документации, %; ri – плотность (насыпная масса) i—го компонента, кг/м3.
Определение основных конструкторских характеристик оборудования (вместимости, рабочих объемов, размеров и скоростей рабочих органов и т.д.) существенно зависит от принципов его работы: является ли конструкция периодического или непрерывного действия, выдает ли обработанную продукцию на своей стадии технологического процесса в виде отдельных порций, поштучно или в виде непрерывного потока. В первом случае конструктивные параметры зависят как от производительности основного оборудования для обработки продукта, так и от продолжительности загрузки и выгрузки. Во втором случае продолжительность загрузки и выгрузки не учитывают, так как они совмещены во времени с обработкой продукта, но при этом необходимо определить скорость его перемещения.
Для конструкции периодического действия вместимость рабочей емкости, Vn (м3)
,
где – суммарный объемный расход обрабатываемых компонентов, м3/ч; Тц – продолжительность цикла, равная суммарному времени, затраченному на загрузку, обработку и выгрузку продукта, ч; Кз – конструктивный коэффициент запаса, учитывающий расширение или вспенивание обрабатываемого продукта, неравномерность порций, образование воронки при перемешивании жидкости и т.п.
По рассчитанному значению вместимости рабочей емкости определяют габаритные размеры, задаваясь ее формой и исходя из конструктивных соображений.
Для конструкций непрерывного действия вместимость рабочей части, пропускающей поток обрабатываемого продукта, Vн, (м3)
,
где – длительность технологической операции, ч.
При разработке конструкций непрерывного действия одна из важных задач предварительных исследований и экспериментов – обоснованный выбор скорости воздействия рабочих органов или рабочей среды на обрабатываемый продукт. Оптимальное значение этой скорости зависит от многих факторов: химической, физической или микробиологической природы технологического процесса, структурно-механических характеристик обрабатываемого продукта, конструктивного исполнения рабочих органов и т. д.
При конструировании технологических машин следует иметь в виду, что параметры режима воздействия рабочих органов на продукт, прежде всего, должны обеспечить эффективную и высококачественную его обработку. Режимы воздействия должны быть такими, чтобы были исключены отрицательные последствия обработки и снижение пищевой ценности обрабатываемого продукта из-за изменения его химического состава и потребительских свойств.
Как правило, к началу конструкторских работ оптимальную скорость воздействия следует определить на этапе предварительных исследовании и рекомендовать разработчикам в виде исходных данных. По известной скорости потока можно определить поперечное сечение потока F (м2) и длину L (м) обрабатывающей части конструкции
, ,
где v – скорость потока, м/ч.
По найденному значению сечения потока можно вычислить сечение канала обрабатывающей части конструкции, умножив площадь сечения на поправочные коэффициенты, учитывающие неравномерность заполнения канала, неравномерность и колебания скорости, установку внутри канала различных конструктивных элементов, сопротивления потоку и т.д. Зная сечение канала и руководствуясь конструктивными соображениями, можно определить его форму и геометрические размеры.
Кинематический расчет. Основные кинематические параметры рабочих органов необходимо знать для того, чтобы получить единицу продукции (или единицы промежуточного продукта) в строго определенный отрезок времени — рабочий цикл, который является величиной обратной производительности. Поэтому, обрабатывая продукт (непрерывно или периодически), рабочие органы должны иметь заданный ритм движения, перемещаясь с необходимой скоростью или частотой вращения. Установив рабочий цикл конструкции, можно найти нужный ритм работы ее отдельных рабочих органов, а при известных конструктивных параметрах последних вычислить их необходимые скорости движения.
При выборе законов движения и параметров рабочих органов необходимо учитывать ускорение последних, так как при большом ускорении возрастают силы инерции, действующие как на обрабатываемый продукт, так и на опоры рабочего органа. При больших значениях сил инерции может нарушаться связь рабочего органа и продукции, в результате чего технологическая операция будет выполняться некачественно.
Кинематическая схема представляет собой чертеж, на котором при помощи условных графических обозначений дано изображение всех элементов привода, начиная от электродвигателя до рабочих органов, их соединение и взаимоположение, направленное на осуществление, управление, регулирование и контроль заданных законов движения.
Выполняя кинематический расчет привода устройства, определяют основные кинематические параметры, которые должны быть, указаны затем на кинематической схеме. Кроме того, эти данные необходимы для расчета элементов привода на прочность.
Циклограммы разрабатывают для взаимной увязки структуры исполнительного механизма, в состав которого входит рабочий орган, обрабатывающий продукт, и кинематика отдельных звеньев этого механизма. В циклограмме отражены совокупность, продолжительность и соотношения рабочих и холостых ходов, а также остановок (выстоев) рабочих органов устройства при выполнении им заданных технологических операций в пределах одного кинематического цикла. Циклограмма дает наглядное представление о согласованной работе отдельных механизмов, приводящих в движение рабочие органы, направленной на выполнение технологических операций. По циклограмме можно также определить кинематическое взаимодействие всех рабочих органов в любой момент времени и при необходимости найти конкретные значения таких параметров, как длина перемещений, скорость и ускорение. Эти данные используют для энергетического и прочностного расчетов.
Энергетический расчет. Такой расчет проектируемой конструкции выполняют с целью выбора ее привода, определения его характеристик, обеспечивающих работоспособность и надежность конструкции с учетом потребного количества энергии. Расход потребной энергии зависит от скорости движения рабочего органа и значения результирующей силы, приложенной к нему при работе устройства. Результирующая сила формируется взаимодействием многих сил, возникающих при работе технологической машины, основными из которых являются следующие.
Силы сопротивления — это технологические силы, на преодоление которых затрачивается работа, необходимая для выполнения технологического процесса. Значение этих сил зависит от многих факторов: физико-механических свойств обрабатываемого продукта, скорости и температурных режимов обработки, производительности машины, материала и формы рабочих органов и т.п. Правильно вычислить технологические силы чрезвычайно важно, так как от того, насколько точно будут соответствовать их исходные значения, принимаемые при расчетах, истинным нагрузкам при работе машины, зависит качество ее функционирования. Обычно технологические силы определяют экспериментальным или расчетным путем на этапах предварительных исследований и проектирования конструкции и выдают конструктору в качестве исходных данных.
Силы непроизводственного сопротивления – это силы, на преодоление которых затрачивается дополнительная работа сверх той, которая необходима для преодоления полезного сопротивления. В основном непроизводственные силы связаны с преодолением сил трения в кинематических парах.
Динамические силы – силы инерции, возникающие при движении элементов конструкции с ускорением. Их значение зависит от ускорения и массы подвижных деталей конструкции.
Силы непроизводственного сопротивления и динамические силы обычно рассчитывают при конструировании устройства.
Все указанные силы во время работы конструкции, как правило, не остаются постоянными. За определенный промежуток работы (цикл) меняются их направление и значение. Поэтому очень важно установить тот момент времени, в который элементы конструкции оказываются нагруженными наибольшим суммарным усилием, на которое затем и производят энергетический и прочностной расчеты.
Кроме того, надо принимать во внимание то, что в целом ряде технологических машин, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, пусковые нагрузки могут намного превышать номинальные силы, вычисленные для установившегося режима работы машины.
Расчет потребной мощности предусматривает вычисление потребного количества энергии на ведущем валу устройства и на валу электродвигателя.
Вычислив требуемую мощность электродвигателя, подбирают его типоразмер. Так как для рассчитываемого привода могут быть выбраны двигатели с различными значениями частоты вращения вала и соответственно различные передаточные механизмы, то рассматривают несколько вариантов кинематической структуры привода. Оптимальным признают вариант, отвечающий конкретным требованиям конструктивного исполнения и условиям эксплуатации проектируемой машины. При этом надо учитывать, что с повышением частоты вращения уменьшаются масса и габариты двигателя, снижается его стоимость, но при этом уменьшается ресурс. Поэтому для привода общего назначения, если нет специальных указаний, предпочтительны двигатели с частотой вращения 1500 или 1000 мин-1.
Теплотехнический расчет. Такой расчет выполняют для того, чтобы определить основные конструктивные параметры и размеры теплообменных аппаратов, а также требуемый расход теплоносителей (пара, воды, хладагентов и воздуха). Тепловой расчет теплообменных аппаратов основан на совместном решении уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.
Полученные значения конструктивных параметров основных рабочих емкостей, органов, площадей и т.п. обусловливают как габариты указанных элементов в отдельности, так и габариты проектируемых машин и аппаратов. Кроме того, зная их, можно провести правильную рациональную компоновку отдельных составных частей линии в целом, выбрать типы транспортирующих и вспомогательных устройств, назначить виды и места размещения возможных контролирующих приборов, регулирующих приспособлений и т.п.
Конструктивные параметры аппарата зависят, прежде всего, от способа передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.
При конструировании теплообменной аппаратуры необходимо обеспечить высокий тепловой поток, экономичность аппарата и рациональный температурный режим воздействия на обрабатываемый продукт.
Высокий тепловой поток можно достичь рациональным конструктивным исполнением аппарата, правильным выбором оптимальных значений параметров теплоносителей, строгой цикличностью и непрерывностью процесса и оптимальным выбором режима работы аппарата.
Экономичность теплообменного аппарата обеспечивается рациональным расходом теплоносителей, а также таким исполнением конструкции, при котором эффективность процессов теплопередачи не зависит от параметров окружающей среды и сохраняется в условиях воздействия на теплообменные поверхности обрабатываемого продукта. кроме того, необходимо создать герметичность и тепловую изоляцию рабочих объемов, в которых протекают теплообменные процессы.
Рациональный температурный режим воздействия на обрабатываемый продукт предусматривает обеспечение в допустимых пределах продолжительности температурного воздействия и уровня значений температуры, при которых гарантируется сохранение пищевой ценности обрабатываемого продукта и исключается возможность отрицательного воздействия высоких (или низких) температур, вызывающих разложение, пригорание, прогоркание и т.п. пищевого продукта.
Графическая часть конструирования. Проработка конструкции линии в целом, ее составных частей, а также конструктивных элементов предполагает реализацию двух взаимосвязанных процедур.
Первая процедура связана с расчленением конструкции на составные части и элементы с учетом их функционально-технического назначения, вторая — с компоновкой их взаимного расположения с учетом обеспечения эффективности их функций, а также требований надежности, технологичности, безопасности, безвредности, эргономичности и эстетичности.
Линии могут быть расчленены на отдельные машины, аппараты, механизмы, приборы, вспомогательные устройства и т.п., а также на определенные группы вышеуказанных видов оборудования, связанные с выполнением общей функции: установки, агрегаты, модули и т.д. Машины и аппараты расчленяют на сборочные единицы и детали, из которых также могут формироваться определенные связанные группы: рабочие органы, исполнительные и передаточные механизмы, привод и т.п. При расчленении важно правильно и четко формулировать назначение и функции каждой составной части конструкции.
Компоновка связана с процессом формирования общей структуры конструкции из ее составных частей и зависит от ее уровня и сложности. Компоновка с учетом обеспечения функционального назначения конструкции предусматривает проработку элементов, от которых зависят следующие показатели: производительность, габаритные размеры и материалоемкость конструкции; потребление электроэнергии и теплоносителей; эффективность обработки продукта и др.
Компоновку машины начинают с решения главных вопросов конструирования рабочих органов и выбора рациональной кинематической структуры. От этих факторов зависят размеры и форма машины, принцип ее функционирования и взаимодействие с сопряженными конструкциями линии. При разработке конструкций машин и аппаратов уточняют оптимальные значения механических и технологических факторов обработки, транспортирования и обеспечения пищевой ценности продукта.
Технологичность конструкции. Оптимальное использование материалов, средств и времени при изготовлении линий и их составных частей, прежде всего, зависит от технологичности конструкций. Последняя формируется как при общей компоновке линии, так и при проектировании и конструировании входящих в нее машин и аппаратов, а также всех составных частей и деталей.
Такую характеристику, как технологичность конструкции линии, необходимо оценивать в процессе ее создания с первых этапов проектирования. Отработка линии на технологичность – непрерывный процесс, который продолжается и в период серийного выпуска линии, цель его – снижение трудоемкости и себестоимости изготовления и эксплуатации линии.
Технологичность пищевого оборудования определяется системой стандартных показателей. На этапе изготовления линии технологичность конструкций оценивают группами показателей, которые определяют технологическую подготовку машиностроительного производства.
К этой группе относятся показатели стандартизации и унификации линии и ее составных частей, коэффициенты сборности и повторяемости, материалоемкость, а также уровень преемственности оригинальных деталей и составных частей.
При проектировании необходима единая унификация и стандартизация всех составных частей линии, деталей и конструктивных элементов по размерам, допускам и посадкам соединений, видам применяемых материалов и комплектующих изделий и т.п. Технологичность конструкции повышается при увеличении повторяемости составных частей, сборочных единиц и деталей, а также их взаимозаменяемости внутри машин и аппаратов, входящих в состав линии.
По материалоемкости и массе линии и ее составных частей можно судить об общем расходе и видах материалов, а также об уровне полезного использования их, то есть о количестве отходов, полученных при изготовлении заготовок и готовых деталей.
Под конструктивной преемственностью подразумевают такое направление в конструировании машин и аппаратов, при котором разные машины являются производными одной из конструкций, выбранной в качестве основной (базовой), и образуют конструктивный ряд.
В пищевом машиностроении сепараторы, насосы, теплообменную аппаратуру и другое оборудование проектируют на основе ограниченного числа базовых моделей с использованием нормализованных и унифицированных деталей и составных частей.
Для повышения технологичности конструкций линии при проектировании необходимо использовать разработанную общемашиностроительную, отраслевую и внутризаводскую стандартизацию следующих видов:
– пищевые машины и аппараты (сепараторы, конвейеры, волчки, теплообменная аппаратура и т.п.);
– детали и сборочные единицы (шнеки, тарелки, веретена сепараторов и т.п.);
– конструктивные элементы (резьбы, модули, конусы, отверстия и др.);
– применяемые материалы (марки, профили и т.п.).
Таким образом, конструирование линии — это целенаправленная последовательность актов принятия конструктивных решений, приводящая к разработке рабочей конструкторской документации на конкретную конструкцию линии и ее составных частей и являющуюся основой для изготовления линии.
Свежие комментарии