Расчет механизмов ротационных таблеточных машин

Ротационная таблеточная машина представляет собой многопозиционный прессавтомат, в котором все технологические операции осуществляются в ходе непрерывного вращения ротора.

Пуансоны по мере вращения ротора совершают возвратно-поступательное движение, обеспечивающее необходимую последовательность операций таблетирования.

Вертикальное перемещение пуансона осуществляется при помощи неподвижных цилиндрических кулачков-копиров, по ним скользят (или катятся) головки ползунов, в которых закреплены пуансоны.

По окружности ротора на равном расстоянии друг от друга расположено несколько комплектов пресс-инструмента. Число позиций определяется по технико-экономическим соображениям и колеблется на машинах различных производителей от 4 до 50.

Каждый комплект состоит из матрицы и двух пуансонов, при этом оси пуансонов параллельны оси вращения машины. Матрицы по отношению к ротору неподвижны.

Ротационные таблеточные машины могут быть однократного и многократного действия. В машинах однократного действия длительность технологического цикла получения таблетки соответствует времени одного оборота ротора. В машинах многократного действия за один оборот ротора в каждом комплекте инструмента осуществляется iтехнологических циклов (где i — кратность действия). Многократность действия обеспечивается соответствующим построением направляющих копиров, наличием нужного числа бункеров, питателей, приемных устройств и т. д.

В ротационных таблеточных машинах обычно осуществляется двухстороннее прессование таблеток. В этом случае копиры верхних и нижних пуансонов на участке прессования имеют одинаковый профиль.

В зависимости от принятой конструкции машины между копиром и пуансоном возникает трение скольжения или качения. В первом случае головка пуансона во время холостого хода и в начале прессования скользит по профилю цилиндрического кулачка. Для того чтобы снизить потери на трение, в этих машинах обычно в позиции прессования ставят прессующий ролик. Головка пуансона в позиции прессования набегает на прессующий ролик и обкатывает его. Таким образом, в момент наибольшего давления трение скольжения замещается трением качения. При другом конструктивном решении пуансоны крепятся в ползунах, имеющих ролики. Осевое перемещение ползуна осуществляется за счет воздействия неподвижного цилиндрического кулачка (копира) на торцевой или боковой ролик, укрепленные на верхних и нижних пуансонах. При этом торцевой ролик обеспечивает прямой, а боковой — обратный ход пуансона.

Таблеточные машины с прессующими роликами отличаются более простой конструкцией ползунов, что приводит к значительному уменьшению габаритов ротора и всей машины в целом. Однако в этих машинах выше потери на трение, а лекала и головки пуансонов подвергаются большему износу.

Как уже было сказано, в ротационных таблеточных машинах операции таблетирования выполняются одновременно в нескольких комплектах пресс-инструмента, но на различных фазах. В связи с этим силы сопротивления, действующие на рабочие органы, и соответствующие им составляющие момента сил сопротивления на валу ротора не равны между собой и, кроме того, изменяются в зависимости от положения ротора.

При помощи силового расчета определяются силы, действующие на звенья машины, и находится закон изменения момента сил сопротивления на валу ротора.

Величина момента сил сопротивления, приведенного к валу ротора, для машин однократного действия циклически повторяется при повороте ротора на угол.

где т — число комплектов пресс-инструмента.

Для машин многократного действия угол поворота ротора, соответствующий циклу изменения момента на валу, будет.

где i — кратность использования каждого комплекта пресс-инструмента за один оборот ротора.

При силовом расчете машины следует рассмотреть условия равновесия верхних и нижних ползунов на всех участках движения.

На звенья ротационной таблеточной машины действуют силы полезного сопротивления, силы тяжести, силы инерции, а также силы трения в кинематических парах. В связи с тем что ускорения незначительны, силами инерции в переносном и относительном движении пуансонов можно пренебречь и силовой расчет проводить как статический.

Определим реакции в кинематических парах и уравновешивающий момент на валу ротора для машин с копирами; в этих машинах ползуны имеют прессующие и боковые ролики.

На участке прессования нижний и верхний ползун набегают на копир прессующими торцовыми роликами. При этом боковой ролик не нагружен, а направляющий ролик, перемещающийся в пазу ротора 1, предотвращает проворачивание ползуна 2 в направляющей ротора. Схема нагружения ползуна при прессовании показана на рис. 3.39.

Рис. 3.39. Схема сил, приложенных к верхнему ползуну ротационной таблеточной машины с копиром на участке прессования.

Реакция F₀₂, действующая на торцовый ролик, направлена под углом у + 0 к оси ползуна (у — угол давления в данном положении ползуна; 0 — угол отклонения от нормали реакции F₀₂).

Угол 0 рассчитывается по формуле.

где k — коэффициент трения качения (для закаленной стали 0,001 см); р_р «/'г_о — радиус круга трения в опоре ролика; г_ц — радиус оси ролика;/' — приведенный коэффициент трения в опоре ролика; г_р — радиус ролика.

Принимая во внимание, что величины k и р_р по крайней мере на порядок меньше величины радиуса ролика, приближенно можно считать.

Формулы, по которым рассчитываются реакции, в случае перекоса ползуна в направляющей имеют следующий вид:

В приведенных выше формулах F— сумма силы полезного сопротивления и силы тяжести ползуна;

х — расстояние от центра ролика до направляющей; 2b — ширина ползуна; L — длина направляющей;/ — коэффициент трения ползуна о направляющую;

где р — угол трения.

Приведенный к валу ротора момент от сил сопротивления на верхнем ползуне.

где R — расстояние от вала ротора машины до оси ползуна.

Если имеет место соотношение х ^ (L/3) + fb — а, то расчетные формулы выводятся из условия одностороннего прижима ползуна к направляющей:

Силы и моменты, рассчитанные по формулам (3.186)—(3.188), относятся лишь к верхнему ползуну таблеточной машины. Аналогичный вид имеют формулы для расчета сил и момента, приложенного к валу ротора, для нижнего пуансона. Все формулы могут использоваться для силового расчета верхних и нижних ползунов на тех участках циклограммы, на которых их перемещение относительно ротора осуществляется за счет перекатывания по копирам торцовых роликов.

В том случае, когда перемещение ползуна 2 обусловлено перекатыванием по копиру бокового ролика, характер нагружения ползуна внешними силами меняется (рис. 3.40).

Рис. 3.40. Схема сил, приложенных к верхнему ползуну ротационной машины с копирами на участке прессования: / — ротор; 2 — ползун Исходные уравнения равновесия для этого случая могут быть записаны следующим образом:

где у — угол давления; 0 = (k + р₆)/г_б; k — коэффициент трения качения; г_б — радиус бокового ролика; р_б — радиус круга трения в опоре бокового ролика; 0' = (k + р_и)/г_и; р_н — радиус круга трения в опоре направляющего ролика; г_и — радиус направляющего ролика; /, и /₂ — расстояния (см. рис. 3.40);/* - 1,27/— приведенный коэффициент трения в цилиндрической направляющей ползуна.

Уравнения равновесия составлены в предположении, что проворачиванию пуансона вокруг вертикальной оси препятствует лишь направляющий ролик, причем размеры сие незначительно отличаются один от другого.

Полагая, что в исходных уравнениях у и 0 малые углы, получим.

Приведенный к валу ротора момент сил сопротивления.

При перемещении ползунов по горизонтальным участкам копиров реакции и приведенные моменты сил сопротивления рассчитываются по формулам (3.195)—(3.197), в которых у полагается равной нулю.

Формулы для определения реакций и приведенных моментов сил сопротивлений в ротационных таблеточных машинах с прессующими роликами имеют сходный характер. На участке прессования, когда головки ползунов перекатываются по цилиндрической поверхности прессующего ролика, после приведения пространственной кинематической схемы к плоской (рис. 3.41, а) схема нагружения ползунов силами аналогична рассмотренной ранее. Для силового расчета можно использовать формулы (3.182)—(3.184) при наличии перекоса ползуна в направляющей и формулы (3.186)—(3.188) при одностороннем прижиме ползуна.

Рис. 3.41. Схема возникновения реакции F_0J на верхнем ползуне ротационной машины с прессующими роликами: а — на участке прессования; б — на участке подъема пуансона Для тех участков движения верхних и нижних пуансонов, на которых головки скользят по направляющим, можно использовать приведенные выше расчетные формулы; однако принимая во внимание отсутствие роликов, вместо угла 0 следует брать угол трения <�р:

где/₀₁ — коэффициент трения головки ползуна по направляющей.

В том случае, когда головка ползуна скользит по горизонтальному участку профиля кулачка (копира), угол у «0.

Для обеспечения принудительного движения вверх верхних ползунов и вниз нижних ползунов применяются направляющие (рис. 3.41, б), захватывающие головки ползунов и обеспечивающие геометрическое замыкание пары ползун-копир. В этом случае при расчете реакций и моментов необходимо вместо 0 вводить в расчетные формулы приведенный угол трения <�р_пр:

где Р — угол при вершине конусной части головки ползуна.

На рис. 3.42, а и 6 вверху приведены примеры зависимостей реакций в кинематических парах и приведенных моментов для верхнего и нижнего ползунов от угла поворота ротора при прессовании и выталкивании таблетки на ротационной машине.

Рис. 3.42. Примеры диаграмм изменения приведенных моментов сил и реакций в кинематических парах ползуна ротационной машины: а — на участке прессования; б — на участке подъема ползуна Приведенный момент сил сопротивления для комплекта пресс-инструмента рассчитывается по формуле.

где A/J— приведенный момент от сил сопротивления на нижнем ползуне; М*— приведенный момент от сил сопротивления на верхнем ползуне.

Для определения величины реакций и моментов по формулам (3.182) — (3.197) необходимо знать закономерности, характеризующие изменение угла давления у, расстояние от центра ролика х (или центра сопряжения головки пуансона) до направляющей и силу полезного сопротивления /-" как функцию угла, а поворота ротора. В каждом расчетном положении при определении реакций и моментов необходимо брать соответствующие значения перечисленных величин. Углы давления и расстояния определяются из кинематического анализа машины. Кривую изменения силы полезного сопротивления, но углу поворота ротора Да) можно найти при помощи известных диаграмм прессования и выталкивания таблетки. На этих диаграммах сила сопротивления представлена как функция перемещения рабочего органа F (s). В связи с тем что зависимость перемещения ползуна от угла поворота ротора известна, легко кривую F (s) привести к кривой /^:(а). Это построение показано на рис. 3.42, а и б внизу, где исходные кривые F (s) представлены пунктирными линиями, а результирующие F (a) — сплошными.

Анализ диаграммы приведенного момента сил сопротивления от одного комплекта пресс-инструмента показывает, что приведенный момент сил сопротивления на тех участках цикла, где не производятся рабочие операции, практически можно считать постоянным (рис. 3.43, а). В этом случае приведенный момент сил сопротивления является приведенным моментом от сил тяжести ползунов М_{п (Г}

Рис. 3.43. Приведенный момент сил при таблетировании: а — изменение приведенного момента сил за цикл для одного комплекта пресс-инструмента; б — суммарная диаграмма Суммарный приведенный момент сил сопротивления при таблстировании А/_п1 складывается из моментов сил сопротивления от каждого комплекта пресс-инструмента. Поэтому для построения суммарной кривой приведенного момента сил сопротивления необходимо разбить период цикла на интервалы в соответствии с числом комплектов пресс-инструмента и сложить величины моментов (рис. 3.43, б). Сопоставление кривых приведенных моментов сил сопротивления для одного комплекта пресс-инструмен та и суммарного свидетельствует о том, что происходит выравнивание моментов на валу машины. По этой причине в ротационных таблеточных машинах двукратного действия желательно иметь нечетное число комплектов пресс-инструмента, а в машинах трехи четырехкратного действия число комплектов пресс-инструмента должно быть выбрано таким, чтобы максимумы приведенных моментов равномерно распределялись во времени. Общий приведенный момент сил сопротивления на валу ротора складывается из суммарного приведенного момента от сил сопротивления при таблетировании М_п1, приведенного момента от сил сопротивления ворошителя М_п2 и моментов сил трения в упорных и радиальных подшипниках ротора и Л/_р2.

Приведенный момент от сил сопротивления ворошителя имеет сравнительно малую величину. В том случае, когда ворошитель представляет собой мешалку с плоскими лопастями, величина приведенного момента Л/_;2 может быть приближенно рассчитана по следующей формуле:

где N — мощность ворошителя; i — передаточное отношение от вала ворошителя к валу ротора; Г) — КПД соответствующей передачи; п — число оборотов ворошителя в минуту.

Формулы (3.201) и (3.202) записаны в предположении, что привод ворошителя осуществляется от вала ротора.

Мощность ворошителя N (в киловаттах) рассчитывается по эмпирической формуле.

где с — приведенный коэффициент сопротивления, для фенольных пресс-порошков с «5,2−10» ³; у_ж — насыпной вес пресс-материала (кг/м³); со — угловая скорость вращения лопасти (1/с); L — длина лопасти (м); b — высота лопасти (м); а — угол наклона лопасти к горизонту; Я — высота слоя пресс-материала над лопастью (м); ^ттах «коэффициент, характеризующий возрастание сопротивления движению лопасти во времени, для фенольных пресс-порошков т_тм «3,1.

Момент сил трения в упорных подшипниках ротора можно приближенно рассчитать, полагая, что они при симметричном двустороннем прессовании воспринимают лишь вес ротора: где f* — приведенный коэффициент трения для шариковых подшипников; f* = 0,005−0,01; d — диаметр вала.

Момент сил трения в цапфах М^₂ рассчитывается по приближенной формуле.

где F_a и F_B — реакции в цапфах А и В; d_Awd_B- диаметры цапф Аи В; f — коэффициент трения в цапфе, который можно принимать при фитильной или капельной смазке равным 0,04−0,07 и при периодической смазке 0,07−0,10.

Циклограммы ротационных таблеточных машин свидетельствуют о том, что на участках прессования (на копирах прессования или на прессующих роликах) в каждый момент времени находится один или два комплекта пресс-инструмента. Поэтому максимальное значение усилия прессования одновременно в нескольких комплектах пресс-инструмента не может быть даже и в том случае, когда рассматриваемая машина многократного действия.

Реакции в опорах ротора определяются в предположении, что реакции в направляющих верхних и нижних ползунов N₂* и Л^г₂₁^м можно заменить одной равнодействующей силой, приложенной на окружности матриц в той точке, которая соответствует максимальной силе прессования. Это допущение приводит к некоторому завышению значений реакций. В том случае, когда прессование одностороннее, необходимо учитывать силу трения F прессуемого порошка о стенки матрицы. Максимальная величина последней определяется экспериментально или находится расчетным путем по величине средней удельной силы трения т_ср:

где ndh — боковая поверхность таблетки.

При составлении уравнений равновесия ротора для расчета величины реакций используется метод последовательных приближений, сущность которого заключается в том, что силы трения в подшипниках вала ротора в эти уравнения первоначально не вводятся. Впоследствии по найденным реакциям определяются моменты трения в опорах и по формуле (3.201) рассчитывается приведенный момент М_п, после чего производится уточненный расчет реакции, а затем прочностный расчет червячной передачи и вала ротора. При проведении предварительного силового расчета также не учитываегся осевая сила на червячном колесе, величина которой сравнительно мала:

где X — угол подъема витка по делительному цилиндру червяка; р — угол трения в червячном зацеплении.

Уравнения равновесия ротора с консольным расположением червячного колеса (рис. 3.44) при указанных условиях имеют следующий вид: где F — Af_Hl/F — сила сопротивления, приведенная к радиусу ротора; F — окружная сила на червячном колесе; d_K — диаметр начальной окружности червячного колеса; Т — радиальная сила на червячном колесе, Т — Rgot; а — угол профиля червяка, а = 20°; Ь — угол, определяющий положение точки приложения приведенной силы по отношению к плоскости гх, перпендикулярной к оси червяка (соответствует положению оси прессующего ролика или вершине копира прессования); Х_л, У_д, 7_А — составляющие реакции в опоре Лив упорном подшипнике; Х_в, У_в — составляющие реакции в опоре В. Из системы уравнений (3.206) определяются составляющие радиальных реакций в опорах А и В, после чего полные реакции могут быть найдены при помощи уравнений.

Рис. 3.44. Схема приложения сил к ротору таблеточной машины.

В том случае, когда в ротационной таблеточной машине осуществляется двустороннее симметричное прессование, сила F= 0; реакции определяются, но формулам.