Разработать мясорубку для измельчения мяса и рыбы производительностью 250 кг/ч

             (2.4)

Уменьшение пути продвижения  продукта в осевом направлении под  действием геометрических факторов (угла подъема а) и трения о винтовую поверхность шнека можно представить с помощью коэффициента вращения (отставания) продукта от движения шнека

k_в = (Н — h)/H = sin²α + 0,5∙f∙ sin 2α                        (2.5)

где f = tg ρ — коэффициент трения частиц материала о винтовую поверхность шнека. Дополнение k_H до единицы, т. е.

k = 1 — k_в  = cos²α — 0,5∙f∙ sin2 α                         (2.6)

носит название коэффициента подачи. Фактически величина этих коэффициентов определяется  не только конфигурацией шнека и внешним трением, но и внутренним трением вязкопластического продукта, его адгезионными и другими подобными физико-механическими свойствами, и поэтому может быть установлена только экспериментально.

Опыт эксплуатации шнековых устройств показывает, что для  увеличения скорости перемещения, а  следовательно, и производительности шнековых устройств необходимо принимать небольшие углы подъема винтовых линий (10…30°), но не менее 10°. Шаг винтовой части шнека рекомендуется выбирать в пределах (0,7…0,8) D. При меньших значениях шага возможен отрыв продукта от внутренней поверхности корпуса, поскольку поверхность контакта продукта с корпусом в пределах одного шага винтовой части шнека будет слишком малой, в результате чего материал будет только вращаться вместе со шнеком, не имея осевых перемещений. Для ликвидации этого явления на внутренней поверхности корпуса шнекового устройства выполняют специальные ребра или канавки, располагая, их в продольном или винтовом направлении, причем направление винтовой линии канавок на корпусе должно быть противоположным направлению винтовой части шнека.

Для нагнетающих шнеков большое значение имеет создание давления на выходе. Распределение  давления по длине шнека с постоянным шагом можно принять изменяющимся по линейному закону от нуля до рабочего давления ртах (см. рис. 9 б). Коэффициент повышения давления зависит от формы шнека и возрастает с уменьшением глубины винтовых канавок и шага по длине шнека. При этом производительность шнекового устройства падает из-за возникновения обратного движения продукта и утечки через зазоры. Число витков и длина шнека оказывают существенное влияние на производительность шнекового устройства. При малой длине шнека и малом числе витков на нем обратный поток продукта значителен; при длинных шнеках с пятью-шестью витками обратные потоки в зоне подпрессовки уменьшаются, производительность повышается  и расход энергии сокращается. Объясняется это тем, что витки шнека образуют лабиринт, препятствуя тем самым вытеснению продукта из зоны с повышенным давлением к загрузочному устройству. При дальнейшем увеличении числа витков производительность стабилизируется, но повышается расход энергии.

Длина рабочей части  шнека берется, как правило, в интервале (3…8) D. Уменьшение длины шнека и глубины винтовых канавок способствует созданию  более высоких давлений и значительному снижению колебаний давления в выходной насадке. Шнеки с постоянным шагом и переменной глубиной винтовых канавок более производительны, чем шнеки, имеющие переменный шаг с постоянной глубиной винтовых канавок. При уменьшении глубины винтовой канавки увеличивается степень сжатия продукта за счет уменьшения объема межвиткового пространства. Шнеки с большой глубиной винтовой канавки и большим шагом целесообразны для транспортирующих устройств со свободным отводом продукции или с выходной насадкой малого сопротивления и при нагнетании маловязких продуктов.

Рекомендуемые параметры  винтов мясорубок:  диаметр  винта (наружный) D = (0,8…0,9) D_p, где D_p — диаметр ножевой решетки; диаметр хвостовика  винта d = (0,2…0,3) D;   длина  винта  L = (2,5…3,8) D; минимальный шаг винта  H_min = (0,8…0,9) D;  угол подъема последнего витка шнека α_п = 7…10°.

Если можно воспользоваться  существующим образцом нагнетающего шнека, хорошо зарекомендовавшего себя, то целесообразно взять его за прототип при проектировании подобного, но другой производительности. Тогда, если D₀ — диаметр шнека-прототипа, а D —диаметр подобного ему проектируемого шнека, то производительность и мощность проектируемого шнека таковы: П = П₀ (D/D₀)³ и   N = N₀ (D/D₀)³,  а  глубина  винтовой  канавки  е = е₀ (D/D₀).

Выбираем диаметр решетки D_р = 0,1 м. Тогда находим остальные конструктивные параметры:

D = (0,8…0,9)·D_p = 0,9 · 0,1 = 0,09 м                       (2.7)

d = (0,2…0,3) ·D = 0,25 · 0,09 = 0,0225 м                   (2.8)

L = (2,5…3,8) ·D = 3,5 · 0,09 = 0,315 м                       (2.9)

H = D = 0,09 м

α_п = 10°

Средняя окружная скорость продукта v_z зависит от окружной скорости шнека, но меньше ее из-за обратного проскальзывания продукта по поверхности витков шнека:

v_z = π∙D_ср∙n∙k_ск                                                                   (2.9)

где D_cp — средний диаметр шнека, D_cp = (D + d)/2; k_cк — коэффициент проскальзывания продукта относительно винтовой поверхности витков шнека. Для мясорубки обычного типа k_ск. принимают равным 0,3—0,4. а коэффициент заполнения продуктом сечения канавки φ = 0,6…0,8; n – частота вращения шнека.

Из рисунка 10 видно  что 

v_z =v₀/sinα = 0,24/sin10⁰ =1,38 м/с                        (2.10)

Таким образом, частота  вращения шнека:

             (2.11)

Силы, действующие на шнек.

На рис. 11 показаны силы, действующие на нагнетающий шнек, и эпюры нагрузок от этих сил. В соответствии с принятыми на рисунке обозначениями: p_mах — максимальное нормальное давление на винтовую поверхность, действующее в последнем витке шнека; p_N — нормальное давление на винтовую поверхность шнека, распределение которого по длине шнека с небольшим приближением можно принять изменяющимся по линейному закону; р_х — осевое давление (составляющая нормального давления p_N, действующая по оси х); р_r — окружное давление (составляющая нормального давления, перпендикулярная к радиусу шнека и направленная против вращения); р_у — составляющая нормального давления по оси у; р_z— составляющая нормального давления по оси z; q_x — интенсивность осевой нагрузки; q_y — интенсивность распределенной по длине шнека поперечной нагрузки, действующей в плоскости ух; q_z — интенсивность распределенной поперечной нагрузки, действующей в плоскости zx; m_z — интенсивность распределенного изгибающего момента относительно оси z; m_у — интенсивность распределенного вгибающего момента относительно оси у; М_кр — крутящий момент да валу шнека; m_кр —интенсивность распределенного крутящего момента; S — реакция опоры у загрузочного отверстия.

Для определения интенсивности  распределенных нагрузок на поверхности витка шнека выделен (рис. 11) бесконечно малый элемент площади

dF = R∙ dR∙ dφ/cosα.                                      (2.12)

Геометрические параметры  шнека на рис. 7.14 обозначены: R = 0,5D — наружный радиус шнека; r — радиус вала шнека; H — шаг витков шнека; α —угол подъема шнека, отнесенный к среднему диаметру.

Перечисленные нагрузки уравновешиваются реакциями на опорах шнека и крутящим моментом приводного вала. Суммарное осевое усилие S и крутящий момент М_кр при известном или рассчитанном максимальном давлении p_max могут быть  ориентировочно, определены по формулам:

S = 0,39∙z ∙(D² -  d²) ∙p_mах;                                 (2.13)

М_кр = 0,13∙z ∙ (D³ - d³) ∙p_mах ∙tg α,                           (2.14)

где z — число рабочих витков шнека.

В мясорубке p_mах  представляет собой сумму давлений необходимых для продавливания продукта через первую р₁,  вторую р₂ и третью  р₃ решетки, каждое из которых определяется формулой

P_{1(2, 3)} = 4q∙d₀,                                            (2.15)

где d₀ -- диаметр отверстий в соответственной решетке; q — удельная сила резания продукта.

 

Рис 11 Схемы к определению нагрузок, действующих на шнек: а — давление по длине шнека; б — силы, действующие на виток шнека; в — эпюры нагрузок

Для охлажденного и дефростированного  мяса q = 0,3…0,4 кН/м (т. е. 300—400 Н/м), для мороженого бескостного мяса q = 3…4 кН/м (т. е. 3000—4000 Н/м). Как показывает опыт эксплуатации мясорубок, p_mах = 300…500 кПа (т. е. 0,3—0,5 МПа или 3—5 атм.).

Объем рабочей камеры может быть определен по по формуле

                                             (2.16)

где v - объем рабочей камеры, м³;

                               (2.17)

 

2.3 Кинематический расчет

2.3.1 Мощность

Полезная (технологическая) мощность шнекового нагнетателя N, потребная для преодоления в единицу времени всех технологических сопротивлений, связанных с проталкиванием продукта к выходу, уплотнением его и созданием давления на выходе, определяется, как и для всех технологических устройств, произведением крутящего момента М_кр  на частоту вращения рабочего вала, в данном случае шнекового вала:

N = ω∙М_кр = 2∙π∙n∙М_кр = (π∙n_мин/30) ∙ М_кр                 (2.18)

где n — частота вращения, с^-1; n_мин — частота вращения, мин^-1.

Чтобы достаточно обоснованно  произвести проектный расчет, эту  формулу развертывают, расчленяя N  или M_кр на ряд слагаемых в зависимости от конструкции шнека и существа элементарных составляющих операций, из которых складывается весьма сложный технологический процесс, осуществляемый шнековым устройством. Так, Г. Шенкель для нагнетающего шнека с постоянными по длине L шагом Н и диаметром D предлагает формулу

N = π³∙D³∙n³∙μ∙L/e + П∙р_max/cos²α + π²∙D²∙n²∙δ∙μ∙L/(b∙tgα)        (2.19)

где первое слагаемое - мощность, потребная па создание прямого потока продукта; второе - на создание давления р_max  на выходе; третье - на преодоление вязкого трения в кольцевом зазоре b между диаметром шнека D и внутренней поверхностью корпуса. Объемная производительность в формуле обозначена буквой П, остальные обозначения — те же, что в других формулах .

Крутящий момент М_кр для создания давления может быть приближенно определен и по формуле

М_кр = 0,13∙z ∙ (D³ - d³) ∙p_mах ∙tg α,.                              (2.20)

Н. А. Предтеченский для  мясорубки с двумя решетками  предлагает формулу

                  (2.21)

где b — толщина решеток, м; р — давление продукта перед первой решеткой,  равное приблизительно 0,3 МПа — 3∙10⁵Па; f — коэффициент трения мясного фарша о сталь, f = 0,4; d₁, d₂, z₁, z₂ - диаметры и числа отверстий в первой и второй решетках; α — угол подъема винтовой линии последнего витка шнека, определяемый из соотношения tg α = H/(π∙D_ср); ρ — угол трения продукта о сталь, ρ = arctg f ; Н – шаг последнего витка шнека; χ - коэффициент падения давления в решетке, χ = 0,4…0,5; R и r радиусы шнека и шнекового вала.

Для нашего случая для  расчета применяем формулу Предтеченского.

Так как частоту вращения шнека 26,2 об/мин невозможно достичь  с помощью одной ременной передачи, придется использовать промежуточный понижающий редуктор, в нашем случае мы совмещаем редуктор с электродвигателем (используем мотор-редуктор).

Применяем двухступенчатый планетарный мотор-редуктор 3МП-25, с частотой вращения выходного вала 90 об/мин, мощностью электродвигателя 0,55 кВт, крутящим моментом на выходном валу 57 Н∙м.

Мотор-редукторы 3МП применяются в качестве привода для оборудования в химической, медицинской, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности. Предназначены как для аппаратов с перемешивающими устройствами, так и для машин общего применения.

Мотор-редукторы  планетарные зубчатые представляют собой блок асинхронного обдуваемого электродвигателя и планетарного редуктора.

Мотор-редукторы  комплектуются электродвигателями, как общего назначения, так и взрывозащищенными.

Мотор-редукторы  обладают:

• Высокой нагрузочной способностью и надежностью;
• Безотказностью в работе;
• Оптимальным коэффициентом полезного действия;
• Широким диапазоном передаточных чисел

Мотор-редукторы  рассчитаны для работы в следующих  условиях:

• Режим работы продолжительный;
• Вращение выходного вала в любую сторону;
• Климатические исполнения У и Т по ГОСТ 15150;
• Неагрессивная и взрывоопасная окружающая среда (для мотор-редукторов с взрывозащищенными электродвигателями);

Температура окружающей среды от -40С до +50С

 

2.3.2 Расчет поликлиновой передачи

2.3.2.1. Вращающий момент на меньшем ведущем шкиве