Проект комплексної механізації свиновідгодівельної ферми на господарства з детальною розробкою лінії прибирання і утилізації гною

– не створювати небезпеки для тварин, бути простим в експлуатації та обслуговуванні, надійним і довговічним в роботі.

 

3.2 Аналіз існуючих  машин і обладнання даного  типу і вибір об’єкта розробки

Для завантаження гною із збірників до транспортного засобу (цистерни, резервуари, ущільнені кузови), або перекачування по напірним трубопроводам , застосовують такі насоси: НШ-50, НЖН-200, ЦМФ-160-10, НВ-150, НЦИ-Ф-100, ПНЖ-250 (табл..3.1)

Вивчивши характеристики серійних насосів нескладно помітити, що для транспортування гною по трубопроводам від гноєзбірників до цеху органічних добрив підходять насоси НЖН-200 і ПНЖ-250. Створюваний ними напір 200кПа достатній для подолання опору мережі 149кПА, а також вони забезпечують транспортування гною вологістю 94%. Взагалі це дуже продуктивні навантажувачі (до200…250м³/год) і використання їх для забезпечення витрати суміші в магістральному трубопроводі Q=62м³/год не раціонально із-за великої перевитрати електроенергії (споживна потужність НЖН-200-22кВт, ПНЖ-250-37,5кВт).

 

Таблиця 3.1

Характеристика насосів  для завантаження і перекачування  гною

Марка	Продуктивність, М3/год	Тиск, мПа	Потужність, кВт	Маса, кг	Вологість Гною, %	Допущення грубих включень, так, ні	Примітки
1	2	3	4	5	6	7	8
Насос шнеко-центробіжний НШ-50	до 70	0,1	10,0	596	90 і більше	незначне включення	Мала продуктивність, відсутність напору
Насос шнеко-центробіжний з подрібненням НЖН-200	75…200	0,2	22,0	1150	88…95	так	Низький напо, велика виробничість
Насос завантажувальний	до 160	0,1	17,0	305	94 і більше	так	Не забезпечує відкачку гною з дна
Насос центробіжний завантажувальний вертикальний НВ-150	150	0,14	30,0	750	92 і більше	так	Встановлюється на пантоні
1	2	3	4	5	6	7	8
Насос центр обіжний  з подрібнювачем НЦИ-Ф-100	80…100	0,1	11,0	456	92…95	так	Потребує збільшення напору
Навантажувач-подрібнювач  ПНЖ-250 (центр обіжний з подрібненням)	до 250	0,2	37,5	-	93	так	Низький напір, висока продуктивність

 

Тому для перекачки гною від  гноєзбірника до цеху органічних добрив вибираємо експериментальний завантажувач напіврідкого гною з продуктивністю 100м³/год, напором 150кПа і споживчою потужністю 11кВт.

Однією із основних складальних  одиниць завантажувача є насос, тому він прийнятий за об’єкт розробки.

 

3.3 Розробка технологічної і кінематичної схем експериментального насоса і опис процесу його роботи

Насос призначений для  тваринницьких ферм (комплексів), які  мають декілька гноєзбірників. Робочий  орган насоса являє совою спеціальний гвинт (шнек). для найкращого забору вантажу і зниження початкових опорів, він виконаний з нарощуваним кроком і поступово зменшуваним діаметром. Дана ціль модернізації досягається шляхом установки в корпусі насоса перед основним гвинтом додаткового гвинта з поступово зменшеним кроком і поступово наростаючим діаметром до низу (до основи прийомника вантажу).

При роботі гній (рис.3.1) через  приймальні вікна 4 поступає на допоміжний 3 і основний 2 гвинти, а потім під  тиском, який створюється ними подається  через напірний патрубок 7 до споживача.

1 – корпус; 2 – основний гвинт; 3 – допоміжний гвинт; 4 – прийомні вікна; 5 – привід; 6 – муфта; 7 – напірний патрубок.

Рисунок 3.1- Схема насоса

3.4 Технологічний, кінематичний  і енергетичний розрахунки гвинтового  насоса

Робота гвинтового насоса складається із трьох нерозривно пов’язаних і узгоджених між собою основних процесів: завантаження і підбору, транспортування і розвантаження.

Тому при проектуванні насоса забезпечити раціональне  співвідношення продуктивностей додаткового  і основного шнеків, а також завантажувального пристроїв.

При Q_з> Q_т> Q_р – підвищується витрата енергії і також забирається насос;

У випадку Q_з< Q_т< Q_р – виконуються основні вимоги і забезпечується робото здатність насоса  Q = Q_з рівна, тобто дорівнює продуктивності додаткового шнека.

За розрахунками пункту 2.7 роботоздатність насоса-завантажувача  повинна бути не менше 62м³/год (63т/год) при щільності напіврідкого гною

1014кг/м³. Виходячи з цієї робото здатності ми розраховуємо основні параметри насоса. Для цього використовуємо метод підбору, тобто будемо визначати наближення значеньроботоздатності насоса по орієнтовних значеннях основних параметрів згідно таблиці   і порівнювати їх з необхідною продуктивністю.

Розраховуємо продуктивність додаткового конвеєра (насоса) за формулою

Q=3.6q*υ*k_n,                                                    (3.1)

де q – розподілення маси вантажу, кг/м;

     υ – швидкість гвинтового конвеєра, м/с;

d – діаметр основного шнека; D – максималиний (початковий) діаметр додаткового шнека; h – крок основного шнека; H – крок додаткового шнека;

l₃ ,l_T ,l_P – довжина завантажування, транспортування і розвантажування вантажу.

Рисунок 3.2- Схема для  визначення основних параметрів гвинтового шнека

k_n – коефіцієнт продуктивності, k_n=0,1…0,3 для напіврідкого гною (W=85…90%), приймаємо k_n =0,1 [15].

Розподільна маса вантажу

,                                             (3.2)

де D_B – середній діаметр додаткового гвинта, м, приймаємо D_B=0,22м;

    d_b – діаметр вала гвинта, м;

      ρ – об’ємна маса вантажу, кг/м³, (ρ=1014 кг/м³);

     π – стала величина, π = 3,14,

d_b=0,35+0,1D_B                                                 (3.3)

d_b=0,35+0,1*0,22=0,06м

q=(0,22²-0,06²)*3,14*1014/4=36кг/м

Швидкість гвинтового конвеєра

,                                         (3.4)

де U_b – осьова швидкість гвинта, м/с;

      α_b – кут підйому гвинтової лінії, град.;

           ψ_b – кут підйому гвинтової траєкторії вантажу, град.

Осьова швидкість гвинта

U_b=ω*Н,                                                (3.5)

де ω – кутова швидкість гвинта, с^-1;

     Н – крок додаткового гвинта, м;

,                                                    (3.6)

де n – частота обертання гвинта, хв^-1, приймаємо n=1460 хв^-1;

    π – стала величина, π=3,14;

с^-1,

Н = (0,4…1,0), D_B=0,077…0,22м, приймаємо Н=0,085м.

U_b=153*0,085=13м/с

Кут підйому гвинтової  лінії

,                                            (3.7)

де  м,

α=arctg0,388=18,6⁰.

Кут підйому гвинтової  траєкторії вантажу залежить від  кута підйому гвинтової лінії, приймаємо  ψ_в=15⁰.

При прийнятих параметрах гвинтова швидкість вантажу конвеєра дорівнює

м/с,

а виробництво додаткового гвинта (насоса)

Q=3,6*36*1,9*0,1=25кг/с=90т/год

Як бачимо Q=90т/год>Q_потр=63т/год, тобто спроектований насос повністю придатний для відкачки гною із гноєзбірника на свиновідгодівельній фермі. При цьому забезпечується запас по виробництву (k₃=1,5), що обов’язково необхідно для обладнання по перекачуванні на великих комплексах.

Максимальне значення діаметра додаткового гвинта приймаємо D =0,24м, діаметр основного гвинта буде дорівнювати d=0,2м. Враховуючи раніше приведене співвідношення між кроком і діаметром гвинта, приймаємо крок основного гвинта h=0,17м.

Розрахуємо необхідну потужність привода (кВт)

,                                      (3.8)

де k₃ – коефіцієнт запасу, приймаємо k₃=1,5;

     k_n – коефіцієнт перевантаження, приймаємо k_n=1,6;

     Q – продуктивність конвеєра, т/год;

     Н_п – висота підйому вантажу, приймаємо Н_п=3,5м;

     q – прискорення вільного падіння, q=9,81м/с²;

     – коефіцієнт опру, згідно рекомендаціям, приймаємо =2,2;

     η₀ – коефіцієнт корисної дії конвеєра, η₀=0,6;

кВт

При виборі електродвигуна необхідно мати запас потужності з урахуванням перенавантажень

Р_дв= k_n*Р,                                             (3.9)

де k_n- коефіцієнт перевантаження,

Р_дв=1,6*11=17,6 (кВт)

При виборі двигуна з  каталога вибираємо електродвигун  з найближчою по значенню потужністю Р_дв=22кВт, тип 4А-180S4Y3- асинхронний 50 Гц, 220/380В.

Розрахунок гвинта

Так  конвеєр вертикальний, то гвинт розраховуємо на розтяг  впливом повздовжніх сил Р_в¹¹; на кручення під впливом крутного моменту.

Крутний момент Т_в (Н.м) діючий на вал гвинта, розраховуємо за формулою [16]

,                                            (3.10)

де Р – потужність затрачена на привід вала шнека, Вт, Р=11*10³Вт;

      n – частота обертання електродвигуна , n=1460хв^-1,

Н.м

Діючу на гвинт поздовжню  силу Р_а (Н) розраховуємо за формулою

,                                          (3.11)

де К_с¹¹ – коефіцієнт, який враховує, що радіус витка більший чим радіус, на якому рівнодіюча сила опору витка обертанню, приймаємо К_с¹¹=1,25;

α_ср – середній кут підйому гвинтової лінії, град;

φ – кут тертя вантажу по матеріалу гвинта, φ=5⁰,

,                                           (3.12)

де k_ш – коефіцієнт, який дорівнює 0,4…0,5, приймаємо k_ш=0,4;

     h – крок гвинта, h=170мм;

     d – діаметр гвинта, d=200мм,

,

α_ср= arctg0,34=18,8⁰

Тоді осьова сила, діюча  на вал буде допівнювати

Н

Розраховуємо діаметр  вала гвинта із умови міцності на кручення зварного з’єднання труби з кінцем вала.

Рисунок 3.3- Вал шнека

Тому виконаємо розрахунок міцності зварного з’єднання. Так як на шнек діє осьова сила, сила Р_а=2045Н, то розрахуємо зварний шов на розтяг.

[P]=[σ_p¹]*l*S,                                               (3,13)

де [σ_p¹] – допустиме напруження для матеріалу зварного шва при розтягуванні, [σ_p¹]=0,9[σ_p];

     [σ_p] – допустиме напруження при розтягуванні для матеріалу основної деталі, [σ_p¹] = 160мПа;

     l – довжина зварного шва, м,

l=π* d_ср,                                             (3.14)

де d_ср – середній діаметр труби,

м;

      S – глибина проварки, рівна товщині стінки труби, S=0,005м;

тоді

[P]=0,9*160*10⁶*3,14*0,065*0,005=147*10³Н=147кН

Діаметр вихідного кінця  вала розраховуємо за формулою

,                                                 (3.15)

де d_к – діаметр вихідного кінця вала, мм;

     [τ] – допустиме напруження на кручення, [τ]=20Н/мм²,

мм

Виходячи з конструктивних міркувань, вал виконуємо пустотілим. Він буде складатися з труб з привареними  фланцями. Проведемо перевіряльник  розрахунок на міцність при крученні частинами вала

,                                     (3.16)

де τ – напруження кручення;

     Т_в – крутний момент, Т_в=72*10³ Н*мм;

,                                                  (3.17)

де d_b – зовнішній діаметр пустотілого вала, d_b=60мм;

     d₀ – внутрішній діаметр пустотілої частини вала, d₀=50мм;

      [τ]  – допустиме напруження на кручення, [τ]=20Н/мм²_,

Н/мм²<[τ]=20Н/мм²,

тобто умова міцності виконується.

Небезпечним перерізом  для вала є місця.

Як бачимо [P]=147кН>P_a=2.045кН, тобто умова міцності виконується.

Далі проведемо перевірку  міцності зварного шва на зріз

,                                             (3.18)

де Т_в – крутний момент;

     d_b – зовнішній діаметр пустотілого вала;

     d₀ – внутрішній діаметр пустотілої частини вала;

     d_b- d₀ – в даному випадку показуємо товщину (висоту або глибину) провареного шва,

Па

Для сталі [τ]=0,6[σ_p]=0,6*160=96мПа