Badania dotyczące optymalizacji projektowania i poprawy wydajności ekstruderów próżniowych

Badania nad optymalizacją konstrukcji i poprawą wydajności wytłaczarek próżniowych
Na podstawie praktyki inżynierskiej dotyczącej ulepszenia konstrukcji dwustopniowych wytłaczarek próżniowych

W linii produkcyjnej cegieł wypalanych, próżniowa wytłaczarka do cegieł jest kluczowym urządzeniem kształtującym, które decyduje o jakości zielonych cegieł i wydajności produkcji. Wraz z rosnącymi wymaganiami przemysłu ceglarskiego dotyczącymi jakości produktów, wydajności i niezawodności urządzeń, optymalizacja konstrukcji i modernizacja technologiczna wytłaczarek próżniowych stały się szczególnie ważne.
Poprzez badania i analizę różnych urządzeń wytłaczarek próżniowych opracowanych krajowo i międzynarodowo, a także łącząc zaawansowane doświadczenie techniczne różnych przedsiębiorstw produkcyjnych, przeprowadzono systematyczną optymalizację konstrukcji kluczowych elementów przy jednoczesnym zapewnieniu wydajności urządzeń. Poprzez dobór technologicznie dojrzałych i ekonomicznie uzasadnionych komponentów, funkcjonalność urządzeń jest zwiększana przy jednoczesnym skutecznym obniżeniu kosztów produkcji, co prowadzi do kompleksowej poprawy zarówno wydajności, jak i ekonomiki urządzeń.

I. Optymalizacja konstrukcji kluczowych komponentów

1.1 Optymalizacja konstrukcji wału ślimaka (wału głównego)

Wał ślimaka jest kluczowym elementem transmisyjnym wytłaczarki próżniowej. Jego główną funkcją jest przenoszenie mocy i popychanie mieszanki gliny do przodu, jednocześnie przenosząc znaczący moment obrotowy i nacisk osiowy. Dlatego też konstrukcja wału ślimaka bezpośrednio wpływa na ogólną stabilność i niezawodność maszyny.
W oryginalnej konstrukcji wytłaczarki próżniowej średnica wału ślimaka w miejscach podparcia łożysk wynosiła Φ170 mm i wykorzystywała trzy łożyska do podparcia (w tym jedno łożysko oporowe). Jednak podczas rzeczywistej eksploatacji ta konstrukcja wykazywała następujące problemy:
• Stosunkowo mała odległość między środkami łożysk przedniego i tylnego
• Stosunkowo długi wspornikowy odcinek wału ślimaka
• Znaczne ugięcie wału podczas pracy
Taka konstrukcja powodowała zauważalne drgania głowicy wytłaczarki podczas pracy (zjawisko powszechnie znane jako "drgania głowicy"). Nadmierne lub długotrwałe drgania nie tylko wpływają na stabilność pracy urządzenia, ale mogą również prowadzić do uszkodzenia komponentów, a nawet do przestojów produkcyjnych.

Zgodnie z analizą teorii mechaniki:
Załóżmy, że odległość od środka przedniego łożyska wału ślimaka do przedniego końca ślimaka wynosi L₁
Załóżmy, że odległość między środkami łożysk przedniego i tylnego wynosi L₂
Gdy spełniony jest następujący warunek:
L₂ / L₁ ≥ 0.7
wał ślimaka może utrzymać dobrą stabilność pracy.
W oryginalnej konstrukcji urządzenia:
L₂ / L₁ = 1040 / 1950 = 0.533
Jest to znacznie poniżej rozsądnego zakresu projektowego, co wskazuje na wadę konstrukcyjną.

1.2 Schemat ulepszenia konstrukcji

Podczas procesu optymalizacji konstrukcji kluczowa struktura transmisyjna została dostosowana w celu uzyskania bardziej racjonalnej konfiguracji wału ślimaka.
Główne środki obejmowały:
• Zmiana oryginalnego sprzęgła pneumatycznego promieniowego na sprzęgło pneumatyczne osiowe
• Zmniejszenie osiowych wymiarów instalacyjnych sprzęgła
• Przesunięcie tylnej obudowy łożyska wału ślimaka do tyłu

Dzięki powyższym optymalizacjom:
Odległość między środkami łożysk przedniego i tylnego zwiększyła się o około 400 mm.
W nowej konstrukcji:
L₂ / L₁ = (1040 + 400) / 1950 = 0.74
Ten stosunek spełnia teraz wymagania dotyczące stabilnej pracy, dzięki czemu wał ślimaka pracuje płynniej i bardziej niezawodnie.
Ze względu na zwiększoną sztywność konstrukcyjną, średnica wału ślimaka mogła zostać odpowiednio zoptymalizowana:
Oryginalna maksymalna średnica wału: Φ185 mm
Zoptymalizowana średnica sekcji łożyska: Φ150 mm
Maksymalna średnica wału: Φ160 mm
Po optymalizacji konstrukcji:
• Masa wału jest znacznie zredukowana
• Struktura mechaniczna jest bardziej racjonalna
• Trudność produkcji jest zmniejszona

Jednocześnie zmniejszono wymiary łożysk i powiązanych komponentów, dzięki czemu cały system wału ślimaka stał się bardziej zwarty.

II. Optymalizacja systemu sprzęgła pneumatycznego

W oryginalnej konstrukcji urządzenia zastosowano sprzęgło pneumatyczne promieniowe jako urządzenie łączące moc. Ta konstrukcja miała następujące wady:
• Skomplikowana konstrukcja
• Duża powierzchnia zajmowana
• Wysokie wymagania dotyczące instalacji i uruchomienia
• Ścisłe wymagania dotyczące dokładności wyrównania urządzenia

Sprzęgło pneumatyczne promieniowe wymagało precyzyjnego wyrównania z przekładnią za pomocą sprzęgła i potrzebowało dodatkowych struktur wsporczych, co czyniło instalację i konserwację bardziej skomplikowanymi.
W optymalizacji konstrukcji wszystkie sprzęgła promieniowe zostały zastąpione sprzęgłami pneumatycznymi osiowymi, zainstalowanymi bezpośrednio na wałku szybkim przekładni.
Ta konstrukcja oferuje następujące zalety:
• Bardziej zwarta konstrukcja
• Łatwiejsze zapewnienie dokładności instalacji
• Wygodniejsze uruchomienie i konserwacja
• Znacznie zmniejszona masa urządzenia
• Niższe wymagania dotyczące systemu sprężonego powietrza
Dzięki temu ulepszeniu nie tylko zwiększono niezawodność pracy urządzenia, ale także uproszczono ogólną strukturę transmisyjną.

​

III. Zwiększenie zdolności produkcyjnych urządzenia

Oryginalna dwustopniowa wytłaczarka próżniowa cierpiała na stosunkowo niską wydajność w praktycznym użyciu. Analiza techniczna zidentyfikowała główne przyczyny jako:
• Niewystarczająca zdolność podawania z górnego stopnia
• Nadmierny współczynnik kompresji w stożkowej komorze
• Stosunkowo niska prędkość transportu w górnym stopniu

Współczynnik kompresji stożkowej komory oryginalnego urządzenia:
λ = 2.6
Ta wartość była bliska górnej granicy dopuszczalnego zakresu projektowego.
Typowy rozsądny zakres to:
λ = 2.0 – 2.6
Nadmiernie duży stożek zmniejsza prędkość transportu mieszanki gliny, zmniejszając ilość materiału wchodzącego do komory próżniowej na jednostkę czasu, ograniczając tym samym ogólną wydajność maszyny.
W optymalizacji konstrukcji, poprzez dostosowanie wymiarów konstrukcyjnych wewnętrznego i zewnętrznego rękawa stożkowego, współczynnik kompresji został zoptymalizowany do:
λ = 2.3
Ponadto, dzięki zastosowaniu sprzęgła osiowego, prędkość obrotowa górnego stopnia została odpowiednio zwiększona, co znacznie zwiększyło zdolność transportu gliny.
Po optymalizacji:
Ilość mieszanki gliny wchodzącej do komory próżniowej na jednostkę czasu wzrosła o około 22%.
Zdolność produkcyjna nowej dwustopniowej wytłaczarki próżniowej wzrosła o około 25% w porównaniu do oryginalnego modelu.

IV. Odchudzenie konstrukcji i optymalizacja produkcji

Podczas całego procesu optymalizacji urządzenia wprowadzono systematyczne ulepszenia w kilku elementach konstrukcyjnych w celu zwiększenia efektywności produkcji i racjonalności konstrukcji.

4.1 Optymalizacja masy konstrukcji

Przy jednoczesnym zapewnieniu wytrzymałości i wydajności urządzenia, przeprowadzono optymalizację konstrukcji następujących kluczowych elementów:
• Skrzynia podawcza
• Komora próżniowa
• Struktura korpusu maszyny
Poprzez optymalizację konstrukcji odlewów i procesów obróbki, ogólna masa urządzenia została znacznie zredukowana, przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności przetwarzania.

4.2 Standaryzacja projektowania komponentów

W oryginalnej konstrukcji urządzenia niektóre elementy pomocnicze, takie jak:
• Filtry
• Szyny ślizgowe silnika
• Systemy oświetleniowe
• Drzwi inspekcyjne komory próżniowej
• Różniły się konstrukcją w zależności od modelu urządzenia.

W optymalizacji konstrukcji, poprzez wdrożenie znormalizowanego projektowania komponentów, osiągnięto następujące cele:
• Wykorzystanie zunifikowanych części konstrukcyjnych dla różnych modeli urządzeń
• Dokonywanie jedynie odpowiednich korekt wymiarowych
• Ustanowienie systemu wewnętrznych standardowych części przedsiębiorstwa

Ten środek przyniósł znaczące korzyści produkcyjne:
• Redukcja liczby rodzajów części
• Zwiększona zdolność produkcji seryjnej
• Zwiększona wydajność przetwarzania
• Zmniejszona złożoność produkcji

V. Efekty optymalizacji konstrukcji

1. Struktura
   • Bardziej zwarta konstrukcja urządzenia
   • Bardziej racjonalny system transmisyjny
   • Zwiększona standaryzacja komponentów

2. Wydajność
   • Bardziej stabilna praca wału ślimaka
   • Znacznie poprawiona zdolność produkcyjna
   • Zwiększona niezawodność pracy urządzenia

3. Produkcja
   • Zoptymalizowana masa urządzenia
   • Poprawiona wydajność przetwarzania i produkcji
   • Bardziej racjonalna ogólna konstrukcja

Podsumowując, optymalizacja konstrukcji nie tylko podniosła poziom techniczny urządzenia, ale także poprawiła wydajność produkcji i niezawodność urządzeń, umożliwiając wytłaczarce próżniowej dostarczanie większej wartości w liniach produkcyjnych cegieł.