Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Maszyny i urządzenia technologiczne
Adamus Paulina
Bąkowski Antoni
Bieniek Mateusz
Charymski Damian
Gad Krzysztof
Irzyk Mateusz
Jasnosz Paulina
Kamiński Piotr
Kłaptocz Bartłomiej
Koczur Jakub
Mikus Dawid
Millan Arkadiusz
Molenda Adrian
gr. P1
Rok III IMiR
1) Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z:
-metodami ciśnieniowego scalania materiałów drobnoziarnistych,
-metodami pomiaru momentu skręcającego, nacisku jednostkowego, szerokości szczeliny,
-procedury wyznaczania kąta chwytu na podstawie charakterystyki czasowej nacisku jednostkowego
W wielu przypadkach właściwe wykorzystanie materiałów drobnoziarnistych (odpadów przemysłowych) wymaga ich zagęszczenia i nadania trwałej formy kawałkowej. Właściwą do tego metodą jest scalanie w prasach walcowych. Decydują o tym zalety tych urządzeń, takie jak:
-zwartość konstrukcji,
-ciągły charakter pracy,
-możliwość uzyskania dużej wydajności,
-mniejsze zużycie energii,
-dłuższa żywotność elementów formujących w porównaniu z prasami stemplowymi.
Efektywność procesu scalania materiału realizowanego w tych urządzeniach określają wskaźniki jakościowe otrzymanych brykietów, czyli:
-wytrzymałość na ściskanie,
-wytrzymałość na zrzut,
-gęstość itp.
oraz wskaźniki techniczno-ekonomiczne urządzenia:
-zapotrzebowanie mocy na realizację procesu,
-wydajność prasy,
-zużycie energii na jednostkę produkcji finalnej,
-trwałość elementów formujących itp.
2) Charakterystyka obiektu badań
Określenie obiektu badań, wybór zmiennych zależnych i niezależnych.
Schemat jakościowego obiektu badań:
a) zmienną niezależną (sterowalną) ustalono prędkość obrotową walców: nw [obr/min]
b) jako zmienne zależne wybrano:
-moment skręcający na wale: Mw[kNm]
-szerokość szczeliny między walcami: δ[mm]
-nacisk jednostkowy na wgłębieniu formującym: pm[MPa]
3) Schemat stanowiska badawczego
4) Opis przeprowadzonego eksperymentu
I. Ustalenie prędkości obwodowej prasy vw i szerokości szczeliny między walcami δ
II. Przygotowanie próbki materiału drobnoziarnistego
III. Uruchomienie aparatury pomiarowej
IV. Dostarczenie materiału do zasobnika
V. Wykonanie eksperymentu
VI. Rejestracja danych pomiarowych
5) Przygotowanie materiału do eksperymentu
Materiałem drobnoziarnistym użytym do ćwiczenia jest komponent do tworzenia nawozów sztucznych. Przygotowanie polegało na dodaniu odpowiedniej ilości wody w stosunku do suchej masy. Następnie materiał wymieszano ręcznie.
6) Zestawienie wyników pomiarów (w tym charakterystyk czasowych mierzonych wielkości)
- Obliczenie prędkości obrotowej walców prasy:
$$n_{w} = \frac{30*v_{w}}{\pi*R} = \frac{30*0,19}{\pi*0,225} = 8,06\lbrack\frac{\text{obr}}{\min}\rbrack$$
gdzie:
Vw=0,19[m/s]- prędkość obwodowa.
R=Dw/2=0,45/2=0,225[m]
- Obliczenie mocy pobieranej w czasie realizacji procesu brykietowania Nc:
$$N_{c} = 2*\frac{M_{w}*n_{w}}{9,55} = 2*\frac{14,736*8,06}{9,55} = 24,87\lbrack kw\rbrack$$
gdzie:
Mw=14,736[kNm]- maksymalny moment skręcający.
- Obliczenie wydajności objętościowej prasy walcowej wyposażonej w pierścienie formujące o siodłowym kształcie wgłębień W0:
$$W_{o} = 60*V_{b}*i_{b}*n_{w} = 60*6,5*10^{- 6}*90*8,06 = 0,283\lbrack\frac{m^{3}}{h}\rbrack$$
gdzie:
Vb=6,5*10-6[m3]- objętość brykietu
ib=90- ilość wgłębień formujących
- Obliczenie wartości jednostkowego zapotrzebowania energii w czasie realizacji procesu brykietowania Ze:
$$Z_{e} = \frac{N_{c}}{W_{o}} = \frac{24,87}{0,283} = 87,88\lbrack\frac{\text{kWh}}{m^{3}}\rbrack$$
- Modelowanie obciążeń wału:
Dane do obliczeń:
Dw=0,45[m]- średnica walca formującego.
a=0,13[m]
b=0,062[m]
c=0,099[m]
e=0,25[m]
* Obliczenie maksymalnej siły obwodowej P0:
$$P_{0} = \frac{2M_{w}}{D_{w}} = \frac{14,736*2}{0,45} = 65,49\lbrack kN\rbrack$$
* Wyznaczenie obciążenia ciągłego pochodzącego od siły obwodowej P0:
$$q_{p} = \frac{P_{o}}{b} = \frac{65,49}{0,062} = 1056,3\lbrack\frac{\text{kN}}{m}\rbrack$$
* Obliczenie kąta uchwytu:
Korzystam z wykresu pn=f(t)
$$\alpha = \frac{t_{1}*360}{t} = \frac{0,19*360}{6,748} = 10,14$$
gdzie:
t1=0,19 [s]- czas gwałtownego narastania nacisku.
t= 6,748[s]- czas pomiędzy dwoma maksymalnymi naciskami.
*Obliczenie długości łuków:
$$\tau = \frac{\alpha + \beta}{360}*\pi*D_{w} = \frac{10,14 + 3}{360}*\pi*0,45 = 0,052\lbrack m\rbrack$$
gdzie :
β = 3- kąt sprężystego rozszerzenia brykietu.
* Obliczenie pola powierzchni obciążenia walców:
A = τ * b = 0, 0032[m2]
* Obliczenie siły promieniowej obciążającej walec
Pr = A * pn = 0, 0032 * 49, 971 * 106 = 159, 91[kN]
gdzie:
pn=49,971[MPa]- maksymalny nacisk.
* Wyznaczenie obciążenia ciągłego pochodzącego od siły promieniowej:
$$q_{r} = \frac{P_{r}}{b} = \frac{159,91}{0,062} = 2579,19\lbrack\frac{\text{kN}}{m}\rbrack$$
- Obliczenie wartości składowych reakcji w podporach:
PŁASZCZYZNA X0Z:
$$\sum_{}^{}{P_{\text{ix}} = 0 < = > R_{\text{Ax}} - q_{r}*b + R_{\text{Bx}} = 0}$$
$$\sum_{}^{}{M_{\text{iA}} = 0 < = > q_{r}*b*a - R_{\text{Bx}}*2*a = 0}$$
$$R_{\text{Bx}} = \frac{q_{r}*b*a}{2*a} = \frac{2597,19*0,062*0,13}{2*0,13} = 80,5\lbrack kN\rbrack$$
RAx = qr * b − RBx = 2597, 19 * 0, 062 − 80, 5 = 80, 5[kN]
PŁASZCZYZNA Y0Z:
$$\sum_{}^{}{P_{\text{iy}} = 0 < = > R_{\text{Ay}} - q_{p}*b + R_{\text{By}} = 0}$$
$$\sum_{}^{}{M_{\text{iA}} = 0 < = > q_{p}*b*a - R_{\text{By}}*2*a = 0}$$
$$R_{\text{By}} = \frac{q_{p}*b*a}{2*a} = \frac{1056,3*0,062*0,13}{2*0,13} = 32,75\lbrack kN\rbrack$$
RAy = qp * b − RBy = 1056, 3 * 0, 062 − 32, 75 = 32, 75[kN]
- Obliczenie reakcji całkowitych w podporach:
$$R_{A} = \sqrt{R_{\text{Ax}}^{2} + R_{\text{Ay}}^{2}} = \sqrt{{80,5}^{2} + {32,75}^{2}} = 86,9\lbrack kN\rbrack$$
$$R_{B} = \sqrt{R_{\text{Bx}}^{2} + R_{\text{By}}^{2}} = \sqrt{{80,5}^{2} + {32,75}^{2}} = 86,9\lbrack kN\rbrack$$
L.p. | Wielkość | Jednostka | Wartość |
---|---|---|---|
1 | Średnica walców Dw | m | 0,45 |
2 | Prędkość obwodowa vw | m/s | 0,19 |
3 | Prędkość obrotowa prasy walcowej nw | Obr/min | 8,06 |
4 | Moment skręcający Mw | kNm | 14,736 |
5 | Moc Nc | kW | 24,87 |
6 | Szczelina między walcami | mm | 2,761 |
7 | Objętość brykietu Vb | m3 | 6,5*10-6 |
8 | Ilość wgłębień formujących ib | --- | 90 |
9 | Wydajność objętościowa prasy walcowej W0 | M3/h | 0,283 |
10 | Jednostkowe zapotrzebowanie energii Ze | kWh/m3 | 87,88 |
11 | Maksymalny nacisk jednostkowy we wgłębieniu formującym pn | MPa | 49,971 |
12 | Suma kąta chwytu i kąta sprężystego rozszerzenia brykietu α + β | 0 | 13,14 |
13 | Szerokość walców b | m | 0,062 |
14 | Długość luku τ | m | 0,052 |
15 | Pole powierzchni A | M2 | 0, 0032 |
16 | Siła promieniowa obciążająca walec Pr | kN | 159,91 |
17 | Siła obwodowa obciążająca walec Po | kN | 65,49 |
18 | Reakcja w podporze A - RA | kN | 86,9 |
19 | Reakcja w podporze B - RB | kN | 86,9 |