Производство мороженого. Конструктивная разработка и расчет гомогенизатора производительностью 50800 кг/год

Все виды мороженого условно можно разделить на основные и любительские. К основным видам относятся: молочное, сливочное и пломбир, полученные на основе молочных смесей, а также фруктово-ягодное, изготовляемое из натурального плодово-ягодного сырья, и ароматическое сырьем для которого является вода, сахар и ароматобразующие добавки. Любительские виды мороженого вырабатываются в разнообразных комбинациях сырья.

По способам выработки мороженое разделяют  на закаленное, мягкое, и домашнее.

Закаленное мороженое – это продукт, изготавливаемый в производственных условиях, который после фризерования для повышения стойкости при хранении замораживают (закаливают) до низких температур (-18ºС  и ниже). В таком виде его сохраняют до реализации. Закаленное мороженое отличается высокой твердостью.

Мягкое называют мороженое, вырабатываемое в основном на предприятиях общественного питания  и  употребляемое в пищу сразу  же после выхода из фризера (с температурой

 –5…-7ºС). По консистенции оно напоминает  кремообразную массу.

Домашнее мороженое изготавливают в домашних условиях с использованием холодильного шкафа или морозильника. В наше время разнообразие сортов и видов мороженого поистине безгранично.

По способу  выработки выбираем закаленное мороженое  основного вида -  пломбир «Фантазия» в вафельных стаканчиках. Производственная линия периодического действия на предприятии ООО «Тамбов - Холод».

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 5. Выбор типа основной машины  и описание ее конструкции

 

Производство мороженого состоит из двух основных этапов: выработки  смеси и приготовления из нее мороженого.

Стадии технологического процесса производства мороженого выполняются  при помощи комплексов оборудования для приема, охлаждения, переработки, хранения и транспортировки сырья.

На этапе переработки  смесь поступает в гомогенизатор,  который представляет собой насос, способный перекачивать жидкость под большим давлением. Гомогенизатор состоит из электродвигателя, станины, кривошипно-шатунного механизма с системами смазки и охлаждения, плунжерного блока с гомогенизирующей и манометрической головками и предохранительным клапаном. Гомогенизатор представляет собой трехплунжерный насос. Каждый из трех плунжеров, совершая возвратно-поступательное движение, всасывает жидкость из приемного канала, закрытого всасывающим клапаном, и нагнетает ее через нагнетательный клапан в гомогенизирующую головку под давлением 20…25 Мпа.

Гомогенизирующая головка  является наиболее важной и специфической  частью гомогенизатора. Она представляет собой стальной корпус, в котором  находится цилиндрический центрируемый клапан. Под давлением жидкости клапан поднимается, образуя кольцевую щель, через которую жидкость проходит с большой скоростью и затем выводится через штуцер из гомогенизатора.

Регулированием давления пружины на клапан достигается оптимальный  режим гомогенизации для различных продуктов.

Внутри станины шарнирно закреплена плита, положение которой  регулируется винтами. На плите установлен электродвигатель, приводящий в движение кривошипно-шатунный механизм через  клиноременную передачу. Система  охлаждения предназначена для подвода холодной воды к плунжерам. Она включает в себя змеевик, уложенный на дне корпуса, перфорированную трубку над плунжерами и патрубки для подвода и отвода воды. Система смазки служит для подачи масла к шейкам коленчатого вала для уменьшения трения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет и подбор технологического  оборудования.

 

2. 1. Технологический расчет оборудования.

 

Производительность плунжерного  гомогенизатора определим по формуле [2]

П = 0,25 * Д²  * S * ω * z * ηн , где

Д и S – диаметр и ход плунжера,

Д = 60 мм; S = 40 мм;

ω – угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/сек,

ω = π * n , где

         30

n – число оборотов, n = 340 об/мин.

ω = 3,14 * 340 = 35, 59 с^-1

30

z – количество плунжеров, z = 3;

ηн – КПД насоса, ηн = 0,4

 

П = 0,25 * 0,06²  * 0,04 * 35,59 * 3 * 0,4н = 0,00154 м³ /сек.

Мощность электродвигателя гомогенизатора:

N = П * Р/ (3600 * η), где

Р – давление гомогенизации, Р = 20 * 10 м⁶  Па;

η – КПД гомогенизатора , η = 0,8.

N = 0,00154 * 20 * 10 м⁶  / (3600 * 0,8) = 10,7 квт.

Принимаем электродвигатель 4А160S6У3

N = 11 квт; n = 970 об/мин.

Определим диаметр клапана по формуле [2]

d кл. = √1, 27 * (∆F + П / 6 * Uд  * z), где

Uд  - допускаемая скорость жидкости в седле, для всасывающего клапана, 

Uд  = 2 м/с;

∆F – площадь сечения хвостовика, ∆F = 8,5 * 10^-4 м²

             ________________________________

d кл. = √1, 27 * (8,5 * 10^-4  + 0,00154 / 6 * 2  * 2) = 0,034 м.

Принимаем d кл. = 0,037 м.

Толщину тарелки клапана определим по формуле [2]

 h кл. = 0, 43 * d кл. * √Р / [ъ], где

[ъ] – допускаемое  напряжение для материала клапана, [ъ] = 184 Мпа.

Р – давление гомогенизации, Р = 20 * 10⁶ Па;

d кл. – диаметр клапана, d кл. = 0,037 м   

h кл. = 0, 43 * 0,037 * √ 20 * 10⁶   / 184 * 10⁶   = 0,005 м.

 

Кинематический расчет гомогенизатора. 

 

 

 

 

N = 11 квт; n = 970 об/мин.

 

 

 

«Рисунок 2. Кинематическая схема привода гомогенизатора»

 

Число оборотов коленчатого  вала n1 = 340 об \ мин.,

число оборотов электродвигателя nдв = 970 об \ мин.

Передача вращающего момента от электродвигателя к коленчатому  валу гомогенизатора осуществляется с  помощью ременной передачи.

Передаточное отношение ременной передачи

I рем = nдв / n1 = 970/340 = 2, 853.

Определим крутящие моменты на валах.

Ведущий вал:

М1 = N дв / ω дв,

ω дв = π * nдв / 30  = 3,14 * 970 / 30 = 101,5 с ^–1

М1 = 11 * 10³ / 101,5 = 108, 4 Н * м = 108,4 * 10³ Н * мм.

Ведомый вал:

ω 2 = π * n1 / 30  = 3,14 * 340 / 30 = 35,59 с ^–1

М2 = М1 * I рем = 108, 4 * 2,853 = 309,3 Н * м = 309,3 * 10³ Н * мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 2. Выбор конструкционного материла  и механический расчет аппарата.

 

Аппараты пищевых предприятий  должны отвечать санитарно – гигиеническим  требованиям, при выполнении которых, предотвращается бактериальное, механическое или химическое загрязнение и порча получаемых продуктов питания. При изготовлении машин и аппаратов для пищевой промышленности следует применять такие материалы, которые при взаимодействии с продуктом не образуют вредных для здоровья человека веществ. Конструкционные материалы для гомогенизатора, для клапанов и седел клапанов используют сталь 12Х18Н10Т ГОСТ5632-72, для прокладок – полипропилен 01-020-21 ТУ 6-03-1105-78, наружные устройства и детали не соприкасающиеся с продуктами можно изготовить из стали Ст 3 ГОСТ 380-88.

 

Механический расчет

Расчет ременной передачи.

По графику (рис. 12.23 [3]) выбираем сечение ремня Б.

Выбираем диаметр малого шкива из стандартного ряда (стр. 272 [3])

dp1 = 140 мм. По графику (рис. 12.26 [3]) определим номинальную мощность

Р0, передаваемую одним ремнем в условиях типовой передачи. Р0 = 1,5 квт.

Рассчитаем геометрические параметры  передачи

dp2 = dp1 * I рем  = 140 * 2,853 = 399,4 мм.

По ряду Ra 40 (стр. 272) принимаем стандартное значение диаметра

dp2 = 400 мм. Отклонение принятого значения диаметра от рассчитанного составляет

400 – 399,4 * 100 = 0,15 % < 4%

    399,4

Предварительно принимаем  межосевое расстояние a' = dp2 = 400 мм.

Длину ремня определим  по формуле 12.6 [3] l = 2a + 0,5π (d2 +d1) +

+ (d2 – d1) ² / 4a

l = 2 * 400 + 0,5 * 3,14 * (400 +140) + (400 – 140) ²  = 2 * 400

      4 * 400

По табл. 12.2 [3] принимаем l = 1633 мм.

По формуле 12.7 [3] уточняем межосевое расстояние

a = 2l – π (d2 +d1) + √[2l – π (d2 +d1)] ²  - 8 (d2 – d1) ²

^{_____________________________________________________}

a = 2 * 1633 – 3,14 * (400 + 100) + √[2 * 1633 – 3,14* (400 +140)] ²  - 8 (400 – 140) ² = 370 мм.

По формуле 12.5[3] определим угол обхвата ремнем малого шкива 

α = 180 º - 57 (d2 – d1) / a 

α = 180 º - 57 (400 – 140) / 370 = 140º - в допускаемых пределах.

По формуле 12.28 [3] принимаем  определим мощность Рр передаваемую одним ремнем в условиях эксплуатации.

Рр = Р0 * Сα * Сl * Сi / Ср, где

Сα – коэффициент угла обхвата, Сα = 0,88 (стр.272[3]);

Сl – коэффициент длины ремня, Сl = 1,2 (рис.12.27[3]);

Сi – коэффициент передаточного отношения, Сi = 1,14 (рис.12.28[3]);

Ср – коэффициент режима нагрузки, Ср = 1,2 (нагрузка с умеренными толчками). При этом Рр = 1,5 * 0,88 * 1,2 * 1,14 / 1,2 = 1,5 квт.

По формуле 12.30 [3] определим  число ремней z = P / Рр * Сz , где

Сz – коэффициент числа ремней, Сz = 0,9 (стр. 273 [3]);

z = 11 / 1,5 * 0,9 = 8,15, принимаем z = 8.

По формуле 12.32 [3] находим  предварительное натяжение одного ремня при

U = π*d*p1 * n1/ 60 = 3,14 * 0,14 * 970 / 60 = 7,11 м/с.

F0 =  0,85 * P *Cp *Cl / (z * U * Сα  * Сi) + Fu

Fu = ρ * A * U²  , где

ρ – плотность материала ремня;

А – площадь поперечного  сечения ремня, А = 138 * 10 ^–6 м².

Fu = 1250 * 138 * 10 ^–6  * 7,11 ²  = 8,7 Н.

F0 =  0,85 * 11* 10³ * 1,2 * 1,2 / (8 * 7,11 * 0,88 * 1,14) + 8,7 = 244,7 Н.

По формуле 12.24 [3] сила, действующая на вал при β/2 = (180 – α) /2 =

= (180 – 140)/2 = 20º в  статическом состоянии передачи 

Fr = 2 F0 * z * cos (β/2) = 2 * 244,7 * 8 * cos20 = 3563 H.

При n = 340 мин ^–1

Fr = 3563 – 2 * 8,7 * 1 = 3546 Н.

 

Подбор подшипников

Определим диаметр ведомого вала по формуле [3]

d = 3√M2 / 0,2[τ]k

[τ]k = 12 H/мм^{2  -}   напряжение среза;

d = 3√309,3 * 10 ³ / 0,2* 12 = 50,5 мм.

Принимаем d = 55 мм.

Разрабатываем конструкцию  вала:

Диаметр вала под шкивом d1 = 55 мм;

Диаметр вала под уплотнением d2 = 57 мм;

Диаметр вала под подшипником  d3 = 57 мм;

Составим расчетную  схему вала.

 

 Fr R1 R2

1. 4

 1 75 75 2

T2

400

200 550

 

Рисунок 3 «Расчетная схема вала»

 

Нагрузку от плунжеров  представим в виде равномерно –  распределенной нагрузки.

g = P/l0, где

l0 = 0,40 м;

Р = 51 Н, - усилие прижатия.

g = 51/0,40 = 127,5 Н.

Определим реакцию в опорах.

∑ М2 = 0

- Fr * 0,75 + R1 * 0,55 – g * 0,4 * 0, 275 = 0

R1 = Fr * 0,75 +  g * 0,4 * 0, 275 = 3546 * 0,75 +  127,5 * 0,4 * 0, 275 = 4861 H.

0,55 0,55

∑ М1 = 0

- Fr * 0,2 +  g * 0,4 * (0,4/2 + 0,275) – R2 * 0,55

R2 =  g * 0,4 *  0,275 – Fr  * 0,2 = 127,5 * 0,4 *  0,275 – 3546  * 0,2

0,55 0,55

Для проверки  ∑ У = 0

Fr + g * 0,4 + R2 = R1

3546 + 127,5 * 0,4 + 1264 = 4861

4861 H = 4861 H

Строим эпюры изгибающих и крутящих моментов.

 

 

 

 R1          R2

 1  2

  3 4

T2 709,2 94,8  

 М изг [Н *м]

 610,6

 М кр [Н *м]

 

 

 

Рисунок 4 «Эпюры изгибающих и крутящих моментов»

 

 

М изг1 = - Fr * 0,2 = -3546 * 0,2 = - 709,2 H *м

М изг4 = - R2 * 0,075 = -1264 * 0,075 = - 94,8 H *м

М изг3 = - R2 * 0,475 – g * 0,4 * 0,4 /2 = -1264 * 0,475 – 127,5 * 0,4 * 0,2 =

= - 610,6 H *м

М кр =  М 2 = 309,3 Н*м

Предварительно назначаем конические роликоподшипники средней серии 7312 динамическая нагрузка С = 118 Кн, статическая  нагрузка С0 = 96, 3 Кн. Осевые составляющие радиальных реакций конических подшипников

S1 = 0,83e R1

S2 = 0,83e R2

для подшипников 7312 параметр осевого  нагружения e = 0,305

S1 = 0,83 * 0,305 * 4861 = 1231 H

S1 = 0,83 * 0,305 * 1264 = 320 H

В нашем случае S1>S2

Расчет ведем по наиболее нагруженному подшипнику 1.

Fa = S1 – S2 = 1231 – 320 = 911 H.

Эта нагрузка воспринимается подшипником 1. По формуле 16.29 [3] определим  эквивалентную нагрузку Pr

Pr = (X * V * R1 + У * Fa) * kъ * kт, где

Х, У – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок.

У = 1,966 ( по каталогу).

Определим отношение e  Fa /V * R1 = 911 / 1 * 4861 = 0,187 < e

X = 1,0,

V – коэффициент вращения, при вращении внутреннего кольца V = 1,0

kъ – коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки, умеренные толчки kъ = 1,3;

kт – температурный коэффициент, kт = 1,0

Pr = (1 * 1* 4861 + 1,966 * *911) * 1,3 *1 = 8648 Н.

По формуле 16.31[3] определим  эквивалентную долговечность Lhe =k не * Lh

Lh – суммарное время работы подшипника, Lh = 10000 ч;

k не -  коэффициент режима нагрузки, по табл. 8.10[3] k не = 0,25 – для нормальной нагрузки.

Lhe =0,25 * 10000 = 2500 ч.

По формуле 16.32[3] определим  ресурс подшипника

L = 60 * 10^-6 * n * Lhe = 60 * 10^-6 * 340  * 2500 = 51 млн. об.

По формуле 16.27[3] определим динамическую грузоподъемность подшипника C = Pr P√L/a1 * a2

P = 10/3 – для роликовых подшипников;

a1 – коэффициент надежности, a1 = 1 (стр.333[3]);

a2 – обобщенный коэффициент совместного влияния качества металла и условий эксплуатации (по табл. 16.3[3]) a2 = 1.

C = 8648 * ^10/3 √51 = 32170 Н.

Условие подбора подшипника формула 16.26[3]

С потр. ≤ С пасп.

С потр. = 32170 Н < С пасп. = 118000 Н – выполняется.

 

Уточненный расчет вала

Материал вала – сталь 45, улучшенная, нагрузка близка к постоянной. По табл. 8.8 [3] предел прочности ъв = 750 МПа, предел текучести ът = 650 МПа. Просчитаем предполагаемое сечение рядом с подшипником, ослабленное галтелью.

Изгибающий момент М изг. = 709,2 * 10³ Н * мм.

Крутящий момент М кр. = 309,3 * 10³ Н * мм.

По формуле 15.9 [3] определим напряжение изгиба:

ъ и = М изг. /W = М изг. /0,1d³ = 709,2 *10³ / 0,1 * 60³ =  32,8 МПа.

напряжение кручения:

τ = М кр. / Wр = М кр. / 0,2d³ = 309,3 * 10³ / 0,2 * 60³ =  7,16 МПа.

По формуле 15.7 [3] определим  пределы выносливости:

ъ – 1 = 0,4 ъ в = 0,4 *750 = 300 Мпа.

τ-1 = 0,2 τ в = 0,2 *750 = 150 Мпа.

τ в = 0,6 τ в = 0,6 *650 = 390 Мпа.

Принимаем ресурс галтели r = 2 мм, отношение r/d = 2/60 = 0,033

и находим по (табл. 15.1 [3]) эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении kъ = 2,2; kτ = 1,8.

По графику (рис.15.5[3]) определим масштабный фактор kd = 0,85.

По графику (рис.15.6[3]) фактор шероховатости kf = 0,95 (обточка чистовая).

По формулам (15.4[3]) определим  запас сопротивления усталости  по изгибу:

 

S_Ъ =                 ъ–1                            =            300           = 4,1

   ъ_а* К_Ъ /( К_d * К_f)+ ψ_Ъ* Ъ_m        32,8 *1,8/0,85 *0,95