Akademia Górniczo-Hutnicza

Im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Maszyny i Urządzenia Technologiczne

Laboratorium - sprawozdanie

Porównanie konstrukcji wybranych maszyn oraz ocena eksperymentalna jakości produktu scalania.

Wojciech Smyczyński

gr. 7B rok IIIA

godz. 13 – 14.30

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z budową typowych urządzeń technologicznych na przykładzie urządzeń do scalania materiałów drobnoziarnistych (prasy walcowe, granulatory talerzowe, bębnowe, mieszarki granulujące).

Analiza rozwiązań konstrukcyjnych pras walcowych (LPW 450, LPW 1100) oraz granulatora talerzowego LGT (750, 1000).

2. Definicja scalania

Scalanie to procesy fizykochemiczne i fizykomechaniczne zapewniające formowanie cząstek o określonych rozmiarach, kształcie, strukturze oraz właściwościach fizycznych.

3. Powody scalania materiałów drobnoziarnistych

- poprawienie walorów użytkowych,

- ułatwienie przechowywania,

- ułatwienie transportu,

- poprawa efektywności ekonomicznej procesu,

- uzyskanie produktu o określonym kształcie.

4. Przykłady stosowania scalania w przemyśle

- hutnictwo – scalanie szlamów konwektorowych,

- przemysł farmaceutyczny – formowanie tabletek,

- energetyka – scalanie popiołu (może on być następnie stosowany jako utwardzenie dróg),

- górnictwo – brykietowanie węgla brunatnego,

- wydobywanie miedzi – tworzenie koncentratów miedziowych;

- rolnictwo – scalanie składników nawozów sztucznych.

5. Sposoby scalania

- spiekanie - proces polegający na ogrzewaniu materiałów drobnoziarnistych do temperatury bliskiej temperaturze topnienia, bez doprowadzenia ich do stanu ciekłego. W wyniku spiekania następuje nadtopienie powierzchni i sklejenie poszczególnych ziaren w porowatą masę. Stosuje się je w przemyśle ceramicznym i metalurgicznym.

- brykietowanie – formowanie materiałów drobnoziarnistych w zwięzłe bryły o określonym kształcie, zwanych brykietami. Do brykietowania stosuje się głównie prasy walcowe. Znajdują one zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, m. In. w energetyce, rolnictwie.

- grudkowanie (granulacja) – tworzenie drobnych, nieregularnych ziaren materiału poprzez rozdrabnianie większych kawałków lub poprzez zlepianie się materiału sproszkowanego. Do grudkowania stosuje się granulatory. Znalazły one zastosowanie wielu gałęziach przemysłu.

6. Opis maszyn poznanych podczas ćwiczenia

1) Prasa walcowa LPW 450

a) schemat

1 – motoreduktor	2 – sprzęgło kołnierzowe	3 – klatka walców zębatych	4 – sprzęgło Oldhama	5 – sprzęgło cierne stożkowe
6 – walec nieruchomy	7 – walec ruchomy	8 – siłownik hydrauliczny	9 – pompa hydrauliczna	10 – podajnik grawitacyjny

b) opis działania

Prasa walcowa służy do scalania materiałów drobnoziarnistych. Produktem pracy powyższego urządzenia są brykiety.

Moc podawana jest poprzez motoreduktor (1) – zaopatrzony w przekładnię redukującą obroty. Obroty z wału motoreduktora przekazywane są za pomocą sprzęgła kołnierzowego (2) na klatkę walców zębatych (3). Przekładnia (3) jest 2-stopniowa, z tym że pierwszy stopień zapewnia redukcję obrotów, zaś drugi (o przełożeniu równym 1) zsynchronizowanie prędkości obrotowych obu walców.

Obroty z walców zębatych przekazywane są dalej za pomocą sprzęgieł Oldhama (4).

Walec nieruchomy (6) połączony jest za pomocą wału bezpośrednio ze sprzęgłem (4), zaś walec ruchomy (7) poprzez sprzęgło stożkowe cierne (5).

Walec ruchomy może zmieniać położenie dzięki pracy siłowników hydraulicznych (8) połączonych z pompą hydrauliczną (9).

Ponad walcami roboczymi (6 i 7) zamontowany jest podajnik grawitacyjny (10). W razie potrzeby (np. gdy podawany materiał blokuje się w podajniku lub gdy wymagane jest jego równomierne podawanie) istnieje możliwość zamontowania podajnika ślimakowego.

2) Prasa walcowa LPW 1100

a) schemat

1 – silnik	2 – przekładnia pasowa z pasem klinowym	3 – klatka walców zębatych	4 – sprzęgło tarczowe	5 – walec nieruchomy
6 – walec ruchomy	7 – przekładnia zębata otwarta	8 – siłownik hydrauliczny nurnikowy	9 – pompa hydrauliczna	10 – podajnik grawitacyjny

b) opis działania

Podobnie jak prasa LPW 450, prasa LPW 1000 służy do scalania materiałów drobnoziarnistych i tworzenia brykietów.

Moc podawana jest z silnika (1) poprzez przekładnię pasową z pasem klinowym (2), która tłumi drgania oraz pełni funkcję zabezpieczającą. Obroty z przekładni pasowej przekazywane są na 3-stopniową przekładnię zębatą (3), następuje tu redukcja obrotów.

Obroty z przekładni zębatej przekazywane są za pomocą sprzęgła zębatego (4) na walec roboczy nieruchomy (5). Walec ten jest połączony z przekładnią zębatą otwarta (7) o przełożeniu równym 1, która przekazuje obroty na walec roboczy ruchomy (6). Przekładnia (7) zapewnia równomierne obroty obu walców w przeciwnych kierunkach.

Ruch walca (6) jest możliwy dzięki zastosowaniu siłowników hydraulicznych nurnikowych (8), zasilanych przez pompę (9). Siłowniki pełnią równocześnie funkcję układu bezpieczeństwa.

Materiał podawany jest między walce za pomocą podajnika grawitacyjnego (10).

3) Granulator talerzowy LGT (750, 1000)

a) schemat

1 – dysze zraszające	2 – talerz	3 – motoreduktor	4 – korpus
5 – rynna zsypowa	6 – przekładnia pasowa	7 - zgarniaki	8 - podajnik

b) opis działania

Podczas procesu grudkowania (granulacji) wszystkie wiązania występujące podczas tworzenia się grudek wymagają zbliżenia ziarn do siebie. Osiąga się to drogą mieszania lub obtaczania. W większości pracujących obecnie urządzeń realizuje się jednocześnie obie te operacje.

W przypadku urządzeń z talerzami pochylonymi zmiana kształtu ściany bocznej powoduje zwiększenie drogi obtaczania grudki, której długość ma zasadniczy wpływ na jakość produktu.

Przebieg grudkowania na granulatorze talerzowy jest ciągły i wygląda następująco:

- zasypywanie wsadu do granulatora z podajnika (wsad pod postacią proszku lub pyłu),

- dodawanie lepiszcza w postaci pyłu lub zawiesiny,

- mieszanie na talerzu,

- wysypywanie produktu na podajnik odbiorczy.

Moc z motoreduktora (3) przekazywana jest na przekładnię pasową (6), a następnie na wał napędzający talerz (2). Podczas pracy talerz oczyszczany jest przez zgarniaki (7). Materiał znajdujący się w talerzu zraszany jest przez dysze zraszające (1).

Materiał dostarczany jest przez podajnik (8), a produkt odprowadzany przez rynnę zsypową (5).

6. Obliczenie średnicy wału na którym umieszczony jest pierścień formujący

a) dane:

N = 22 [kW] – nominalna moc silnika

$n = 1440\ \lbrack\frac{\text{obr}}{\min}\rbrack$ - obroty nominalne

i_r = 15, 2  - przełożenie motoreduktora

i_z = 6, 43 - przełożenie przekładni zębatej

a = 280 [mm]  - rozstaw łożysk

Q = 60 [kN] – obciążenie wału

b_p = 76 [mm] - szerokość pierścienia

b) dopuszczalne naprężenia na zginanie

Przyjęto na wał stal C35 dla której Z_go = 220[MPa]

Przyjęto współczynnik bezpieczeństwa x_e = 3, 5

$$k_{\text{go}} = \frac{Z_{\text{go}}}{x_{e}} = \frac{220}{3,5} = 62\lbrack\text{MPa}\rbrack$$

c) schemat obciążenia wału.

1) Prasa walcowa LPW450

$$M_{s} = 9550 \bullet \frac{N}{n} \bullet i_{r} \bullet i_{z}$$

$$M_{s} = 9550 \bullet \frac{22}{1440} \bullet 15,2 \bullet 6,43 = 14260\ \lbrack\text{Nm}\rbrack$$

W tej prasie moment skręcający rozdzielany jest na dwa wały ,więc M_s = 7130 [Nm]

R_a = R_b = 30 [kN]

$$b = 140 - \frac{76}{2} = 102\ \lbrack\text{mm}\rbrack$$

$$M_{g} = R_{a} \bullet \frac{a}{2} - q \bullet \frac{\left( \frac{a}{2} - b \right)^{2}}{2} = 30 \bullet 0,14 - \frac{60}{0,076} \bullet \frac{\left( 0,14 - 0,102 \right)^{2}}{2} = 3630\ \lbrack\text{Nm}\rbrack$$

M_s > M_g

$$M_{z} = \sqrt{M_{g}^{2} + \ \frac{3}{16} \bullet M_{s}^{2}}$$

$$M_{z} = \sqrt{3630^{2} + \frac{3}{16} \bullet \ 7130^{2}} = 4765\ \lbrack\text{Nm}\rbrack$$

$$d\ \geq \ \sqrt[3]{\frac{32 \bullet M_{z}}{\pi \bullet k_{g}}}$$

$$d\ \geq \ \sqrt[3]{\frac{32 \bullet 4765}{\pi \bullet \ 62 \bullet 10^{6}}}$$

d  ≥  94 [mm]

2) Prasa walcowa LPW1100

Moment skręcający przenoszony jest tylko przez jeden wał.

M_s = 14260 [Nm]

M_g = 3630 [Nm]

$$M_{z} = \sqrt{3630^{2} + \ {\frac{3}{16} \bullet 14260}^{2}} = 7163\ \lbrack\text{Nm}\rbrack$$

$$d\ \geq \ \sqrt[3]{\frac{32 \bullet 7163}{\pi \bullet \ 62 \bullet 10^{6}}}$$

d  ≥  106[mm]

d₁< d₂

Średnica wału dla prasy LPW 1100 jest większa, niż średnica dla prasy LPW450.

7. Pomiary dokonane podczas ćwiczenia

Podczas laboratorium badano brykiety wytworzone z jednego ze składników nawozów sztucznych.

Przeprowadzone badanie sprawdzało wytrzymałość brykietów na ściskanie.

W celu pełnej oceny jakości produktu oprócz sprawdzenie jego wytrzymałości na ściskanie, należy również sprawdzić jego wytrzymałość na zrzut oraz jego gęstość.

Wyniki pomiaru maksymalnej siły ściskającej:

Lp.	Siła ściskająca [N]
1	90
2	82
3	100
4	118
5	105
6	52
7	33
8	110
9	64
10	89

Do obliczenie średniej wytrzymałości na ściskanie odrzuca się wyniki najwyższy i najniższy (są to wyniki nie zaznaczony pogrubionym drukiem).

Średnia wartość maksymalnej siły ściskającej brykiet wynosi 86,5 [N].