矿泉水瓶破碎机机械设计说明书.doc
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1、目录1 设计要求和功能分析11.1 设计要求11.2 功能分析12 塑料瓶的性质及其粉碎机理的研究12.1 塑料瓶及其材料性质的研究12.2 冲击载荷下塑料断裂机理的试验研究432.2.1 冲击速度的影响32.2.2 尺寸效应42.2.3 颗粒的运动行程42.2.4 攻角52.3 高速切割设备关键结构参数分析552.3.1剪切速率52.3.2 尺寸切割数63.3.3 切割深度和刀片间隙 62.3 参数及传动方案的设定63零部件的设计和校核73.1 塑料破碎的力学计算及电动机的选择73.1.1 对PET小试样的冲击力学计算与说明73.1.2 对HDPE大试样的剪切力学计算与说明83.1.3 静荷
2、载下动力参数的确定93.1.4 动荷载下动力参数的确定93.2 刀具及其相关零部件的设计计算93.2.1 刀具的设计93.2.2 片刀动定刀片上螺栓的设计113.3 粉碎仓传动轴及相关零部件的设计计算 123.3.1 粉碎仓传动轴的设计计算123.3.2 粉碎仓轴承的设计143.3.2 传动轴与刀架之间键的设计和校核143.3.3 传动轴与皮带轮之间键的设计和校核143.4 带轮的设计计算153.5出料装置的设计计算163.5.1 螺旋输送叶片的设计计算163.5.2 螺旋输送器的轴承设计174结束语17任务分工和附录19 摘要:针对塑料瓶破碎机的刀具等各部分机械结构以及破碎仓进行了设计。同时
3、对破碎机理进行了理论分析,基于对矿泉水瓶破碎机加工要求的考虑,并通过对其零部件工艺过程和装配要求的分析,设计了可以使用爪刀和片刀的塑料瓶破碎机。 前言在塑料消费量持续增长的情况下,塑料废弃物的科学合理处置对环境保护及资源再生的作用和影响日趋突出,作为一个新兴产业,其行业规模正在不断发展壮大,前景十分看好。塑料与环境的关系及塑料再生利用已经成为全社会关注的热点,在当今构建和谐社会、环保节约型社会、重视环境保护和资源再生的政策环境下应引起高度重视,塑料再生利用对中国国民经济、社会持续健康发展具有重要现实意义。如今矿泉水瓶的瓶体材料几乎都是聚对苯二甲酸乙二酯( PET),而瓶盖材料大多为高密度聚乙烯
4、(HDPE),商标为双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜,采用EVA型粘接剂粘附于瓶。这些瓶在使用一次后就被废弃,这样便带来了大量废塑料瓶的回收再利用问题,所以塑料瓶破碎机的研制工作受到了密切重视。1 设计要求和功能分析1.1 设计要求该矿泉水瓶破碎机主要用于矿泉水瓶回收流程上对矿泉水瓶的破碎。采用电机驱动,电机额定功率6KW,进料口尺寸:大于300mm*500mm,工作效率最大为1500Kg/h,要求有急停装置。整个塑料瓶破碎机一共有三种刀具,可以根据塑料瓶的力学性质来更换刀具。转动刀片转速:400rpm,塑料碎片尺寸可通过筛网调节,尺寸分别为:10mm*10mm及15mm*15mm,其主要加工对
5、象是瓶体半径30-45mm,长度200-300mm的矿泉水瓶1.2 功能分析该设备的零部件主要分为破碎刀具及相关零部件、传动系零部件、机架总成零部件以及其它零部件。破碎刀具能够适应高速切削产生的局部应力,并能够承受干切削产生的磨损。对尺寸较大的塑料瓶选用爪刀式的破碎方式,对尺寸适中的塑料瓶采用片刀式的破碎方式。对爪刀和片刀通过调整动刀与定刀之间的间隙,可将破碎后的粒度控制在6-8mm的范围内2。出仓口安装孔径为10mm的网筛,塑料瓶破碎之后,粒度小于10mm的碎片通过筛孔进入储料斗,粒度大于10mm的碎片通过刀具高速旋转产生的气流或刀具本身被带离网筛继续破碎直到满足粒度要求为止。传动轴上安装的
6、飞轮可以增强加工部件的转动惯量,便于机器运行的平稳;隔音板可以大大消减破碎过程中产生的噪音,减少对工作人员的伤害;机架上的脚轮和把手便于设备的转移和工作地点的更换。2 塑料瓶的性质及其粉碎机理的研究2.1 塑料瓶及其材料性质的研究本次设计所要加工的塑料瓶主要分为碳酸饮料瓶、矿泉水瓶和清凉饮料瓶三类饮料瓶。如表1是各种塑料瓶的重要设计参数:瓶种总高度/mm瓶体半径/mm瓶体厚度/mm瓶底最大厚度/mm瓶颈厚度/mm瓶颈高度/mm瓶盖高度/mm瓶盖厚度/mm可乐瓶232.434.480.242.201.5824.514.01.20营养快线瓶189.134.100.462.002.4624.513.
7、01.34大矿泉水瓶281.943.140.302.021.6030.016.01.40小矿泉水瓶214.830.910.401.001.3620.810.01.06雪碧瓶243.733.050.302.161.5021.411.51.30果汁瓶197.432.550.701.402.1027.214.51.32神内瓶196.834.780.402.682.4421.511.51.68绿茶瓶204.934.370.722.402.1028.015.01.18表2-1各种塑料瓶的相关尺寸这些饮料瓶都是由瓶体(PET)、瓶盖(HDPE)、商标(BOPP)三部分组成。构成这三部分的材料是三种不同的塑
8、料。这三种塑料的性质分别如下:PET(聚对苯二甲酸乙醇酯),中文俗称赛白钢。PET作为工程塑料使用具有坚硬、刚度好、强度高、有韧性、摩擦系数小、尺寸稳定性高等特性。HDPE(高密度聚乙烯)是热塑性工程塑料。它综合了大部分塑料的优越性能,耐冲击性、耐低温性、耐磨损性、耐化学腐蚀性、自身润滑性、吸收冲击能性这六个特性是目前塑料中所具有的最高数值。BOPP(聚丙烯)具有高刚度,高硬度和高强度,但缺口抗冲击韧一般,韧性一般,耐磨强度一般,低温时易脆化。考虑到塑料瓶各部分的物理特性,对于剪切式破碎机如爪刀式和片刀式一般不能加工商标,而对于冲击式破碎机如平刀式可以。但由于商标的分离比较容易,人工分离即可完
9、成,另外如果一起破碎之后再进行密度分离,反而会更麻烦。综合经济和效率的考虑,商标不属于设计加工的范围之内,即本破碎机只加工PET(瓶体)和HDPE(瓶盖)两种塑料。结合表1中的数据可以得出,所要加工的对象可以分为PET材料,厚度在0.24mm-2.68mm之间,高度在189.1mm-281.9mm之间,半径在30.91mm-43.14mm之间;HDPE材料,厚度在1.06mm-1.68mm之间,高度在10.0mm-16.0mm之间。由于塑料瓶的瓶盖和瓶颈没有分离,所以加工的厚度可能应该包括瓶颈和瓶盖的厚度之和的情况。但是由于瓶盖和瓶颈的材料力学性质不同,最薄的加工部位(瓶体)的材料是PET,最
10、厚的加工部位(瓶颈和瓶盖)的材料包括PET和HDPE两种材料,所以具体力学参数将在后面讨论并确定。从加工难度的角度来看可以建立两个加工对象模型,分别为最大最厚加工对象模型和最小最薄加工对象模型。两种模型的具体尺寸如下表2表2-2 两种加工对象模型的参数瓶种总高度/mm瓶体半径/mm瓶体厚度/mm瓶底最大厚度/mm瓶颈厚度/mm瓶颈高度/mm瓶盖高度/mm瓶盖厚度/mm最大最厚加工对象模型281.940.140.722.682.4630.016.01.68最小最薄加工对象模型189.130.910.241.001.3620.810.01.06Green等人已证实3:PET颗粒需要多次冲击发生塑性
11、断裂。冲击式破碎机由于它施力迅速,塑料变形小且具有较高的应力集中,即高速冲击产生较高的应力和较小的变形,可以破碎塑料等软质物料。Lowrison认为:抗拉强度是颗粒断裂的决定性因素。Prasher则表明:冲击和压缩实际上是相同的施力模式,只是施力速度不同。因此,如果采用动定刀结合的加工方式,在冲击式破碎中必有压缩或剪切的施力模式。由于刀具间隙一般都在0.3-0.6mm的范围内,考虑到安装的难度刀具间隙应该尽量取用该范围内的值。由于加工对象的最薄尺寸小于0.3mm,所以本破碎机既是剪切式破碎机,又是冲击式破碎机。对于厚于刀具间隙的塑料用剪切的方式破碎,对于薄于刀具间隙的塑料用冲击的方式破碎。由于
12、破碎机的工作过程是一个塑料破碎的概率过程,并考虑到实际加工过程中会出现的各种工作状态,如瓶与瓶之间的重叠会增加加工对象的厚度,还有刀具正好同时加工多个瓶盖和瓶颈这类较难加工的对象等,所以本次设计的参数确定方式采用工作状态理想化和加工对象临界化的方式,对此将在后面进行讨论。2.2 冲击载荷下塑料断裂机理的试验研究4冲击载荷下高聚物材料的断裂机理是复杂的。冲击强度是评价材料抵抗冲击的能力,或判断材料脆性或韧性的程度。抗冲击性能是难以准确表征的力学参量之一。影响冲击性能的因素很多很复杂。塑料冲击试验的结果表明,影响塑料冲击性能的主要因素有材料本身的特性和破碎条件;材料缺陷和应力集中因子;温度;冲击速
13、度等。2.2.1 冲击速度的影响当材料应力达到其临界应力时,材料才开始破坏。碰撞后物料中的应力分布与冲击速度有关。1959年Rumpf应用赫兹理论给出了相互碰撞球体接触点的最大正应力: (1)式中m1、m2两碰撞物的质量 E1、E2、两碰撞物的弹性模量和泊松比 V相对运动速度 r1、r2 碰撞部位的曲率半径 在材料常数一定时,最大正应力正比于冲击速度的2/5次方。较高的冲击速度决定了颗粒很大的冲击动能,在冲击过程中,这一能量转变为颗粒破裂的拉伸应力和压应力。 从能耗的角度来看,并不是冲击速度越大越好,实验表明不同物料以及不同粒度的同一物料都有一个最佳的冲击速度,在该速度下,能量的利用率最高。当
14、速度大于该值时,可以得到更细微的产品,但能量的利用率降低。Rumpf对玻璃球和石灰岩进行高速冲击粉碎试验所得结果证实了该结论。两物体发生弹性碰撞时的能量近似地由下式分配: (2)由上式可知,碰撞后弹性变形能的分配受泊松比的影响较小,主要考虑弹性模量E的影响,E大的物体,硬度也较大。因而,打击部件和壁板一般采用E较大的硬质合金制造,这样可以使物料分到较多的能量。以上分析对对心碰撞是准确的,也可以适用于偏心不太大的碰撞。颗粒冲击粉碎的能耗随冲击速度的增加而增加,但是颗粒粉碎所吸收的能量不仅取决于冲击速度,还与冲击频率有关。Planiol(1962)曾证明较高的冲击频率可以弥补低的颗粒冲击速度。机械
15、冲击式粉碎机上的周边线速度一般在40-120m/s的范围内,普通钢的强度限制了其周边线速度不能超过150m/s。提高冲击机速度有两种方式:一是从材料入手,采用低密度、高强度的新材料制造粉碎机的冲击元件;另一种方式是从粉碎机结构上入手,如采用双转子结构,两个转子运动方向相反,从而提高对物料冲击的相对运动速度。2.2.2 尺寸效应一般而言,随着颗粒粒径的减小,颗粒的强度增大,颗粒内所含有的晶格缺陷和裂隙也逐渐减少,颗粒的抗破坏能力也不断提高,颗粒的破坏由脆性破坏为主转为塑性破坏为主。因而颗粒越小,冲击粉碎所需的临界速度就越大。Kanda等根据赫兹理论推出了弹性碰撞时将一定尺寸的颗粒破裂所需的冲击速
16、度为: (3)式中 S0单位体积的试样强度 V0试样体积 X球形颗粒的直径 mWeibull均匀系数 颗粒密度2.2.3 颗粒的运动行程我们把颗粒被转子冲击后再打击到定子这一路径的长度称为颗粒的运动行程。将颗粒在与其他颗粒或冲击元件冲击前所经过的路程称为平均自由行程();将具有某一初速度的颗粒在一静态流中飞行到它停止时所经过的路程称为抛落行程(h)。颗粒要想获得冲击,其抛落行程应该比平均自由行程大得多。任意部件间的平均自由行程依赖于冲击断面、体积浓度和速度分布。假设颗粒速度分布为波尔兹曼-麦科斯韦分布,且颗粒为等尺寸的球形颗粒,则平均自由行程为: (4)式中 空隙率 Cv体积浓度 X颗粒粒径假
17、定固体的体积浓度为0.01-0.001,则10m颗粒的平均自由行程为1.0-0.5mm。假设具有一定初速度的颗粒在空气中的流动符合Stokes阻力定律,则h可由下式计算: (5)颗粒密度流体粘度颗粒冲击后获得的初速度可以由下式得出: (6)式中 k滚动或滑动摩擦系数 r颗粒旋转半径 颗粒旋转角速度2.2.4 攻角用冲击式粉碎机进行超细粉碎时,颗粒的破坏不仅和冲击速度有关,还和攻角有关。攻角是指入射物料运动轨迹的切线方向和冲击部件表面切线方向的夹角。当攻角为90时,对脆性物料冲击破坏程度最大,当攻角为20-30时,塑性材料的破坏程度最大。同时,冲击转子打击物的形状和大小、物料的填充率等对粉碎效果
18、也有影响。 2.3 高速切割设备关键结构参数分析5国内对高速切割粉碎设备还没有较系统的研究,以下内容从几个方面来探讨高速切割粉碎设备粉碎室内的关键结构参数,以及其对粉碎效果的影响。2.3.1剪切速率从上面的分析可得出,塑料在粉碎过程中主要受剪切作用,可参照剪切式均质机的机理及NavierStokes方程,推导出其剪切速率v,其径向剪切速率均值可根据下式计算: (7)式中为径向平均剪切速率,s-1;为叶轮角速度,r/s;,L为刀片间隙,m。由于受控切割超细粉碎过程中物料是一次性通过粉碎方式,没有产生循环,所以轴向平均剪切速率为零。不管流动方向如何,总的平均剪切速率v都等于轴向平均剪切速率和径向平
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