Проектирование оборудования пищевых производств. Часть 2. Ациклически работающие машины


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



В.А. КЕРЖЕНЦЕВ




ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ


Часть 2

АЦИКЛИЧЕСКИ
РАБОТАЮЩИЕ МАШИНЫ


Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве конспекта лекций





НОВОСИБИРСК
2012

УДК 664.002.5(075.8)
     К 361



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В.Г. Атапин канд. техн. наук, доц. Ю. С. Чёсов



Работа подготовлена кафедрой проектирования технологических машин






            Керженцев В.А.


К 361 Проектирование оборудования пищевых производств. 4.2. Ациклически работающие машины: конспект лекций / В.А. Керженцев. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. -78 с.


         ISBN 978-5-7782-2096-6


          Рассмотрены вопросы проектирования ациклически работающих машин пищевых производств. Приведены схемы и особенности проектного расчета наиболее часто применяемых в данных машинах устройств: шнековых нагнетателей продуктовой массы; приводов с дебалансами для интенсификации переработки продуктов с помощью вибрации; быстровращающихся валов ротационных машин с навешенными на них массами; аппаратов, сосуды которых испытывают внутренние и внешние нагрузки от повышенного давления на стенки. Даны формулы расчетов устройств.
          Предназначен для студентов направления «Технологические машины и оборудование» специализации «Машины аппараты пищевых производств» всех форм обучения.



УДК 664.002.5(075.8)




ISBN 978-5-7782-2096-6

                     © Керженцев В.А.,2012
                     © Новосибирский государственный

технический университет, 2012

                ВВЕДЕНИЕ




   В конспекте лекций рассмотрены вопросы проектирования ациклически работающих машин пищевых производств, т. е. устройств, в движении рабочих органов которых нет кинематически законченного цикла (периодически повторяющегося). В таких машинах моменты их пусков и остановов не имеют большого значения для технологического процесса, в то время как для циклически работающих машин от периодов движений и выстоев звеньев, совершаемых ими в пределах одного кинематического цикла, существенно зависит правильность выполнения технологического процесса. В машинах ациклического действия переработка продуктов происходит равномерно и непрерывно длительное время.
   В конспекте приведены также проектно-конструкторские расчеты машин применительно к эксплуатации их в специфических условиях.
   Рассмотрены следующие устройства пищевых машин: шнековые механизмы как нагнетающие устройства; вибрирующие лотки и столы, обеспечивающие нужное направление движения по ним продукта; бы-стровращающиеся роторы сепараторов, центрифуг и молотковых дробилок при возникновении в них нагрузок; аппараты, сосуды которых испытывают повышенные нагрузки от воздействия рабочих давлений.
   Настоящая часть курса «Проектирование оборудования пищевых производств» (вторая) включает в себя четыре темы, соответствующие упомянутым выше устройствам. В приведенных формулах используются размерности Международной системы единиц СИ: [м], [кг], [с] и их производные.
   В приложении приведен перечень вопросов для самопроверки и разработки контролирующих материалов.

                1. ШНЕКОВЫЕ УСТРОЙСТВА
                В ПИЩЕВЫХ МАШИНАХ





            1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ



   Шнековые устройства широко применяются в производстве различных продуктов, так как они, обладая специфическим рабочим органом (шнеком), способны выполнять три функционально разные операции: внутримашинное и межмашинное транспортирование; выдавливание через формующие отверстия матриц жгутообразных полуфабрикатов; выдавливание жидкой фазы в сокоотделяющих прессах.
   Общая схема шнекового устройства показана на рис. 1.1. По принципу работы - это устройство непрерывного действия.


Рис. 1.1. Геометрические параметры шнека:

а - схема устройства; б - конструктивные параметры; 1 - корпус; 2 - шнек; 3 - матрица (мундштук); 4 - загрузочное устройство

   Корпус 1 - это рабочая камера, обычно цилиндрическая, но может иметь форму желоба. В таком случае желоб закрывается сверху плоской крышкой или же может быть открыт (иметь форму корыта). Шнек 2 - это вал, содержащий пространственную спиралевидную поверх

4

ность. Корпус с одной стороны имеет загрузочное устройство 4, в которое поступает продукт. С другой своей стороны, на выходе, корпус может быть полностью открыт, если это шнековый конвейер, или частично закрыт мундштуком 3, если необходимо создать давление в продукте (экструдер). Мундштуком может служить вставка, имеющая суживающийся канал, или матрица с несколькими отверстиями (в экструдерах), или металлическая сетка (в сокоотделительных прессах и в тестоделительных машинах со шнековым нагнетателем).
   Шнек при вращении воздействует на продукт и передвигает его от входа к выходу (это процесс транспортирования). Если на пути продукта встречается препятствие (мундштук), то в продукте создается давление. В этом случае шнековое устройство становится нагнетающим. Перепад давлений между входом продукта в шнековую камеру и выходом продукта из нее может составлять до десятков мегапаскалей (МПа).


            1.2. ОБЩИЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ШНЕКА


   Шнеки в зависимости от назначения могут иметь самые разные конструкции. Оба диаметра шнека - наружный D и внутренний d (рис. 1.1), а также шаг Н и угол наклона витков а могут или иметь одинаковые размеры по всей длине шнека, или изменяться по этой длине в известных пределах. Такие конструктивные особенности используются для изменения внутреннего межвиткового пространства, что и позволяет создавать в массе продукта разные величины внутреннего давления.
   Основной геометрический параметр шнекового устройства, по которому ведется его расчет, - это наружный диаметр его витка D. В зависимости от него могут рассчитываться и другие размеры, которые согласно опыту эксплуатации определяются из следующих соотношений:
   d - внутренний диаметр витков шнека, или диаметр вала, d=(0,2...0,7) D;
   Н- шаг витка, Н = (0,8.. .1,2)D;
   а - угол подъема винтовой линии, может быть измерен как по наружному диаметру D, так и у основания витка по внутреннему диаметру d:
аd = arctg (Н/(лD)), аd = arctg (Н/(лd));


5

   L - длина рабочей части шнека (L = тН, т - число витков шнека);
   а - зазор между наружным диаметром шнека и внутренним диаметром цилиндрического корпуса, а ~0,5 мм;
   Е - глубина винтовой канавки от D/2 до d/2; Е = 0,5(D - d);
   В - ширина винтовой канавки (по его наружному диаметру D);
   b - толщина материала спирали, b = Нcos(a) - В.
   При проектировании шнеков получаемый внутренний диаметр d проверяют по его предельной величине dₙₚед, которая должна быть больше значения:

d   — DL
“пред л


где f- коэффициент трения продукта о шнек.



            1.3. ПРОДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦЫ ШНЕКОМ, КОЭФФИЦИЕНТ ПОДАЧИ


   Схема передвижения частицы М поверхностью витка показана на рис. 1.2 [9]. На рисунке: расстояния АВ и СВ соответствуют длинам разверток винтовой линии витка шнека по наружному и внутреннему диаметру соответственно; расстояния АМ и СМ - длинам разверток по окружности наружного диаметра (лD) и окружности внутреннего диаметра (л d); расстояние МВ - шагу витка Н; углы a d, a D - углам подъема витка шнека по диаметрам d и D; линия ММ\ - линия передвижения частицы поверхностью витка, если бы трения не существовало; линия ММ₂ - линия передвижения частицы шнеком при наличии трения; угол е - угол трения частицы о поверхность витка; расстояние hi - величина пути движения частицы вдоль оси шнека, если бы трения не существовало, и h - величина пути движения частицы при трении.
   Путь h, проходимый частицей при наличии трения, определяется из геометрических построений [11]:
н Н cos a cos(a + s)
h —--------------.                 (1.1)
cos p


6

   Из формулы (1.1) с помощью преобразований получаем коэффициент подачи Ктд продукта вдоль оси шнека:
h = Н cos a(cos a- tg s sin a),         (1.2)

к
Лпод

h 2             „
— = cos a-0,5fsin2a, Н

(1-3)

где/= tg e - коэффициент трения продукта о поверхность спирали.

Рис. 1.2. Расчетная схема продвижения частицы шнеком

   Угол a, как показывает опыт эксплуатации, может составлять от 10 до 30 град., но для расчетов его принимают как среднее (acр) между a D и a j .
   В расчетах используют также коэффициент отставания, дополняющий коэффициент подачи до единицы:
кот с= 1 - кпо д,


или

⁽Н ⁻ h⁾     2
=--------= sin a + 0,5 т sin 2a .
VIV
                            нн

(1-4)

7

            1.4. СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ ПРОДУКТА ШНЕКОМ В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ


   Шнек при вращении в цилиндрическом корпусе создает определенное давление на продукт. Давление в продукте по мере продвижения его вдоль шнека увеличивается и в зоне перед мундштуком или матрицей становится максимальным. Величина максимального давления (перепад давлений) зависит от размера выходного отверстия, от трения продукта о стенки винтового канала шнека, от формы и размера сечения межвиткового пространства. Часто сечение канала (межвитко-вое пространство) выполняют уменьшающимся от первой винтовой канавки до последней. Продукт испытывает сжатие, степень которого определяется коэффициентом сжатия Ксук = Vz/V\ (где Р), Vz - объемы межвиткового пространства первой винтовой канавки и последней канавки по номеру z, считая от первой).
   Другая формула для расчета коэффициента сжатия Ксж (или коэффициента прессования Кпрес) характеризуется отношением плотности массы в первом витке Р| к плотности в последнем витке шнека л • К =-Р| Р z • ЛСЖ   .
         Р z
   Объединяя значения выражения сжатия, получаем
Ксж = Кпр ес=р!/р z = VZ[V).         (1.5)



            1.5. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ШНЕКОВЫХ УСТРОЙСТВ



   Производительность шнекового устройства во многом определяется геометрическими параметрами шнека (размерами его межвиткового пространства).
   Для транспортирующих шнеков производительность П (кг/с) определяется таю


П = т

л(D² - d²) 4

⁽h ⁻ ь2) 2cos а

«Р КНКПОДКС ж,

(1.6)

8

где т - число заходов шнека; л(D² - d²)/4 - площадь поперечного

сечения межвиткового пространства однозаходного шнека, Н - (by - Ъ2)/(2cos а) - ширина межвиткового пространства по сред
нему диаметра шнека, м; D,d-наружный и внутренний диаметры спиральной поверхности шнека, м; а - угол подъема винтовой линии шнека по среднему диаметру, рад; Н - шаг винта, м; by, Ъ2 - толщины витка по внутреннему и наружному диаметру шнека (рис. 1.3), м; п - частота вращения шнека, об/с; р - плотность прессованного продукта при выходе из отверстия матрицы, кг/м³; Кпод, Ксж, Кн - коэффициенты подачи, сжатия и наполнения межвиткового пространства продуктом.
   Если величины Н, D, d и толщина Ъ спирали шнека постоянны, то производительность приближенно можно выразить формулой

Виа 1.3. Трапецеидальное сечение витков шнека

п = о, 785(D² - d²)(Н - Ъ)прКНКПОДКС₎к ,      (1.7)

где коэффициент 0,785 = л/4.
   Производительность для нагнетающих шнеков, в которых объем межвиткового пространства Vₜ уменьшается по длине шнека, рассчитывается для каждого виткового шага i. Уменьшение пространства может быть обусловлено уменьшением ширины винтовой канавки В, шага Н (для мясорубок) или глубины канавки Е. Для сокоотделяющих прессов объемная производительность шнека, имеющего переменный шаг Hi, определяется для i-го витка по формуле (м³/с) [7]:

л(D² - d²)Н,.КПОД|.
.          4          .

⁻ VMi f пР>

(1.8)

где VM, - объем, занимаемый материалом витка шнека на одном шаге витка; Н, - соответствующий этому объему шаг; Кпод, - коэффициент подачи i-го витка.

9

            1.6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ШНЕКОВЫХ УСТРОЙСТВ

            1.6.1. Проектирование по прототипу


   Часто проектирование нового шнекового устройства выполняют по прототипу. Если для прототипа известны производительность По и мощность Nо и такие геометрические размеры, как Dо и Ео, то эти же параметры для нового устройства рассчитывают по соотношениям:
        П = П ₀( D/Do)³; N = Nо( D/Dо)³; Е = Ео( D/Dо). (1.9)
   Проектирование по прототипу чаще всего относится к расчетам транспортирующего шнекового устройства. Нагнетающие шнековые устройства рассчитываются по более сложным методикам.


            1.6.2. Проектирование нагнетающих шнеков в мясорубках


   Шнек в мясорубках продвигает мясной полуфабрикат к режущему механизму, сжимает его там и проталкивает через ножевые решетки.
   Нагнетающая способность шнека обусловливается уменьшением размера шага и (или) глубины винтовых канавок по длине шнека. При этом производительность может снижаться из-за обратного противодавления продукта и утечки его через зазоры а (рис. 1.1).
   Различают мясорубки малой производительности (до 500 кг/ч) и волчки (производительностью до 5000 кг/ч и выше).
   При малом числе витков т обратный поток продукта значителен, при большем числе (т = 5...6) обратные потоки уменьшаются, поскольку витки образуют так называемый лабиринт, и растет производительность. Однако при дальнейшем увеличении числа витков возрастает только мощность, производительность почти не повышается. Оптимально принимают L = (3.8)D.
   Шнеки с постоянным по длине шагом Н и переменной глубиной канавки Е более производительны, чем шнеки с переменным Н и постоянным Е.
   Мясорубки нормируются по диаметру ножевых решеток Dр. Например, при известном Dр рекомендуется применить шнек с размерами:


10