MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR GÉP- ÉS TERMÉKTERVEZÉSI INTÉZET 3515 Miskolc – Egyetemváros
SZAKDOLGOZAT Feladat címe:
MŰANYAG HULLADÉK ANYAGOKBÓL KÉSZÜLT BÁLÁK BONTÁSÁRA ALKALMAS GÉP TERVEZÉSE Készítette:
Erdei Réka BSc szintű, gépészmérnök szakos Géptervező szakirányos hallgató
Témavezető: JÁLICS KÁROLY c. egyetemi docens Miskolci Egyetem, Gép- és Terméktervezési Intézet
2016/2017 TANÉV, 1. FÉLÉV
EREDETISÉGI NYILATKOZAT
Alulírott Erdei Réka Neptun-kód: I4MOV2 a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős géptervező (BSc.) szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy Műanyag hulladék anyagokból készült bálák bontására alkalmas gép tervezése című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: -
szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül;
-
tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül;
-
más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése.
Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül. Miskolc, 2016. november 18.
.............................................................. Erdei Réka
Tartalomjegyzék 1.
Bevezetés ................................................................................................................................... 1
2.
A hulladékfeldolgozás ................................................................................................................ 2
3.
2.1.
A hulladék újrahasznosításának története ......................................................................... 2
2.2.
A szelektív hulladékgyűjtés ................................................................................................ 2
2.3.
A műanyaghulladék problémája ........................................................................................ 3
2.4.
A műanyaghulladékok típusai ............................................................................................ 4
2.5.
A műanyag újrahasznosítás ................................................................................................ 6
Bálázó – tömörítő és bontó gépek ............................................................................................. 8 3.1.
A bálázó – tömörítő gépek ................................................................................................. 8
3.2.
Aprításhoz használt gépek típusai ...................................................................................... 8
3.2.1.
Vágómalom ................................................................................................................ 9
3.2.2.
Forgótárcsás nyíró-aprítógép ..................................................................................... 9
3.2.3.
Forgó tépő-csavaró aprítógépek .............................................................................. 10
3.2.4.
Gyorsjárású rotoros tépőberendezések ................................................................... 11
3.2.5.
Kalapácsos törő ........................................................................................................ 12
3.3.
4.
5.
Jelenleg a piacon előforduló gépek .................................................................................. 14
3.3.1.
Az piacon forgalomban lévő egytengelyű daráló gépek .......................................... 14
3.3.2.
A piacon forgalomban lévő többtengelyes daráló gépek ........................................ 15
3.3.3.
Egyéb aprítók............................................................................................................ 17
Szabadalom kutatás ................................................................................................................. 19 4.1.
Szálas takarmánybálák bontására szolgáló berendezés .................................................. 19
4.2.
Szálastakarmány bála bontó szerkezet ............................................................................ 20
4.3.
Plastic shredding unit – Műanyag daráló egység ............................................................. 21
Megoldásváltozatok felállítása és értékelése .......................................................................... 22 5.1.
Megoldásváltozatok ......................................................................................................... 22
5.1.1.
Körtárcsás bálabontó ............................................................................................... 22
5.1.2.
Sínes bálabontó ........................................................................................................ 24
5.1.3.
Láncos bálabontó ..................................................................................................... 26
5.2.
6.
5.2.1.
Értékelő kritériumok összeállítása ........................................................................... 28
5.2.2.
Kritérium súlyok meghatározása .............................................................................. 29
5.2.3.
A megoldások értékelése ......................................................................................... 31
Műanyagokon végzett vizsgálatok ........................................................................................... 33 6.1.
A műanyag anyagok különböző tulajdonságai ................................................................. 33
6.1.1.
Műanyagok általánosan ........................................................................................... 33
6.1.2.
PET (Polietilén-tereftalát) tulajdonságai és újrahasznosítása .................................. 34
6.1.3.
A műanyagok mechanikai tulajdonságai .................................................................. 37
6.2.
7.
Értékelő kritériumok ........................................................................................................ 28
Az általam végzett vizsgálatok, mérések .......................................................................... 38
6.2.1.
Súrlódásmérés .......................................................................................................... 38
6.2.2.
Szakítóvizsgálatok..................................................................................................... 45
6.2.3.
Vizsgálatokból levont következtetések .................................................................... 48
Alkatrészek méretezése, kiválasztása ...................................................................................... 49 7.1.
Láncszámítások................................................................................................................. 49
7.1.1.
A szükséges teljesítmény előszámítása: ................................................................... 49
7.1.2.
A motort kiválasztva készített számítások ............................................................... 51
7.1.3.
Lánckerék számítása ................................................................................................. 57
7.1.4.
A füles láncszem kiválasztása ................................................................................... 58
7.1.5.
Tépő-, vágóelem: ...................................................................................................... 58
7.1.6.
Láncvezető kiválasztása............................................................................................ 61
7.1.7.
A lánc kenése és tisztítása ........................................................................................ 61
7.2.
Hajtómű kiválasztása........................................................................................................ 62
7.3.
Tengely méretezése ......................................................................................................... 63
7.4.
Reteszek méretezése ....................................................................................................... 65
7.5.
Csapágyak kiválasztása ..................................................................................................... 67
7.5.1.
A csapágyak terheléseinek meghatározása ............................................................. 67
7.5.2.
A csapágyak kiválasztása és élettartamuk meghatározása ...................................... 69
7.6.
Tengelykapcsoló kiválasztása ........................................................................................... 72
7.7.
Ház méretezése ................................................................................................................ 73
8.
A láncos bálabontó modellje .................................................................................................... 76
9.
Összegzés ................................................................................................................................. 78
Köszönetnyilvánítás.......................................................................................................................... 79 Irodalomjegyzék ............................................................................................................................... 80
1. BEVEZETÉS Jelenleg igen jelentős háztartási és ipari hulladék keletkezik évente, melynek nagy része deponálásra, azaz hulladéklerakó helyeken tárolásra kerül. Környezetvédelmi okokból a hulladékgazdálkodás legfontosabb kérdése az újrahasznosítás, amelynek alapja a szelektív hulladékgyűjtés. Az újrahasznosításban a legfontosabb nyersanyagnak a műanyag tekinthető, mivel az többször is újrahasznosításra kerülhet, ennek feldolgozási technológiája fejlődő tendenciát mutat, egyre több vállalat foglalkozik ezeknek a hulladékoknak a gyűjtésével, újrahasznosításával és az újrahasznosítás során keletkező termékek értékesítésével. A műanyag újrahasznosítása során a hulladékkezelők és begyűjtők által összegyűjtött különböző típusú hulladék termékből (fólia, üdítős üvegek és kupakjaik) az újrahasznosító üzemekben, különböző technológiák alkalmazásával, műanyag granulátumot gyártanak, amelyből újra használati tárgyakat lehet előállítani. Az újrahasznosító üzemekbe a hulladékok bálák formájában érkeznek, amelyet először fel kell bontani, aprítani. Ennek céljára egy új módszert és berendezést mutat be ez a dolgozat, amely alkalmas tömörített műanyag hulladék anyagból készült, különböző méretű bálák bontására. A berendezést a jelenlegi gépek szerkezeti felépítését és működését vizsgálva, majd szabadalomkutatást végezve építem fel. A műanyag hulladékok vághatóságára kísérleteket folytattam, melyet a Gép- és Terméktervezési Intézet egyik mérőberendezését átalakítva végzek el, valamint szakítóvizsgálatokat
végeztem
a
műanyag
palackszájakra,
amelyet
az
Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet műhelyében végeztem el. A kísérletekből kapott mérési eredményeket a további tervezés során felhasználtam. A gép tervezése során kialakított megoldásváltozatokból a módszeres géptervezés alapján értékelő kritériumokat felállítva, valamint a változatok előnyeit és hátrányait vizsgálva, továbbá a gépek működőképességét figyelembe véve, kiválasztottam a megfelelő megoldásváltozatot. A kiválasztott megoldásváltozat kidolgozása során a műanyagok vizsgálatai közben mért adatokat felhasználva számításokat végeztem a gép méretezéséhez, alkatrészeinek kiválasztásához, valamint jelleghelyes három- és kétdimenziós ábrákat készítettem a számolt méretek alapján.
1
2. A HULLADÉKFELDOLGOZÁS 2.1.
A hulladék újrahasznosításának története
A hulladékok újrahasznosítása már a civilizáció megjelenésével elkezdődött. Az emberiség fejlődésével azonban ez egyre nagyobb problémát jelentett, egyre több és nagyobb hulladéklerakó helyek jöttek létre. A probléma megoldására Albert Fryer 1875-ben benyújtott szabadalma jelentette, mely egy hulladékégető volt.
[1]
Ezek már egy egész település szemetét képesek voltak elégetni, de az égetés miatt a levegőbe nagy mennyiségű szennyezőanyag került. Ezzel a problémával csak később szembesültek, mivel a hulladékégetők előnyeit részesítették előnybe. Ezek megjelenésével egyre kevesebb hulladéklerakó hely keletkezett, valamint a hulladékégető által termelt áram szolgáltatta települések világítását. A nagy áttörést 1898-ban egy New Yorkban épült hulladékválogatóval kezdődött. Ez volt a szelektív hulladékgyűjtés és az újrahasznosítás kiindulópontja. Ezután az Egyesült Államokban már nemcsak a fém, hanem egyéb (papír, műanyag, üveg) hulladékok irányában is elindult a szelektív gyűjtés. Ennek következtében egyre több olyan gyár épült, ami ezeknek az anyagoknak az újrahasznosításával foglalkozott
és
egyre
újrahasznosítási ipar.
2.2.
inkább
növekvő
tendenciát
mutatott
a
hulladék-
[1]
A szelektív hulladékgyűjtés
Szelektív hulladékgyűjtésnek nevezzük azt a folyamatot, amikor a hulladéktermelőknél keletkező, számukra már feleslegessé váló anyagokat külön anyag fajtánként gyűjtik, és adják át további hasznosításra, ipari feldolgozásra. A szelektív hulladékgyűjtés célja a hasznosítható hulladékok feldolgozóiparba történő visszaforgatása, ezáltal a primer erőforrások kímélése, továbbá a szelektív gyűjtéssel elért hulladékmennyiség csökkenése miatt a hulladéklerakó kapacitások kímélése, valamint a veszélyes frakciók elkülönítésével a környezetünk védelme, a terhelések és szennyezettségek csökkentése.[2] A szelektív hulladékgyűjtésnek több módszere lehet, a terület jellegétől, a keletkező hulladék mennyiségétől, fajtájától, az elszállítás gyakoriságától, valamint a hulladékkezelő létesítmény távolságától függően. Így a szelektív gyűjtés lakóházon belüli gyűjtéssel, gyűjtőszigetekkel, hulladékudvarokkal, kereskedelmi létesít2
ményekben történő hulladékátadással történhet. A városi és vidéki lakosság számára szelektív hulladékgyűjtő szigetek állnak rendelkezésre, melyekbe az otthonukban
szétválogatott
hulladékokat
anyagfajtánként
tudják
elhelyezni.
Családiházas övezetben továbbá lehetőség van zöldhulladékok és biohulladékok szelektív gyűjtésére is. A zsákos módszer előnyösen alkalmazható zöldhulladék, papír- és műanyag hulladékok gyűjtésére. A kerti zöldhulladékok gyűjtését általában április elejétől november végéig végzik. A hulladékok gyűjtésére a közszolgáltatótól vásárolt zsákokat használják, amely a hulladék szállítási és hasznosítási költségét tartalmazza. [3] Az edényes gyűjtési módszer előnye a zsákos módszerrel szemben, hogy csak egyszer kell megvásárolni a szelektív hulladékgyűjtésre szolgáló gyűjtőedényt. A gyűjtőszigeten kialakított nagyméretű edényekben papír, műanyag, üveg és fém anyagok gyűjthetők (OLESSÁK, 2000; 5/2002. (X.29.) KvVM rendelet alapján). Ezeken a szigeteken nem gyűjthető biológiailag bomló, veszélyes hulladékok, valamint egészségre káros hulladékok, mivel nem biztosítható ezek környezetet nem veszélyeztető elhelyezése. A műanyaggyűjtő konténerekbe üdítős és ásványvizes palackokat, kiöblített háztartási flakonokat, valamint ezek lecsavart kupakjait szokták gyűjteni. [4] A kupakok eltávolítására a tömörítés megkönnyítése miatt van szükség. A palackok tömörítését palackpréssel is elősegíthetjük, így azokat az eredeti térfogat ötödére tömöríthetjük. [5]
2.3.
A műanyaghulladék problémája
Ma már a legtöbb iparág működése és fejlődése elképzelhetetlen lenne műanyagok nélkül. A műanyag termelés ennek megfelelően az elmúlt évtizedek során folyamatos növekedést mutatott és ez a tendencia várhatóan a jövőben is hasonló irányban változik majd. A csomagolóipar, elektronikai ipar, nehézipar, gépjárműgyártás, közlekedés, mezőgazdaság, építőipar, egészségügy területén ma nagy mennyiségben használatosak ezek az anyagok, elsősorban alacsony áruknak, kis sűrűségüknek, korrózióállóságuknak, és egyéb előnyös tulajdonságaiknak köszönhetően.
3
A műanyag megjelenése jelentette a legnagyobb problémát a hulladékgazdálkodásban. A műanyag rendkívül lassan bomlik le, valamint égése során veszélyes anyagok kerülnek a levegőbe. A csomagolóiparban való alkalmazása hihetetlen mértékű hulladék mennyiséget jelent. A NAV (Nemzeti Adó- és Vámhivatal) adatai szerint 2009-ben a csomagolóanyagok kibocsátása Magyarországon 792 554 tonna volt, amelynek 24%-a műanyag [6]. Napjainkban már a műanyagot gyártó nagyvállalatok (BorsodChem, TVK, stb.) is komoly hangsúlyt fektetnek a hulladékhasznosítás és kezelés megvalósítására. Több cég külön üzemegységet hozott létre, melyek feladata a képződött és máshonnan beszállított műanyag hulladékok hasznosítása, feldolgozása.
2.4.
A műanyaghulladékok típusai
A műanyag hulladékok megfelelő kezelésére feltétlenül szükség van azok típusainak és tulajdonságainak ismeretére. A műanyagok kémiai értelemben egy vagy többféle polimerből és adalékanyagokból (töltőanyagok, stabilizátorok, lágyítók, színezőanyagok, stb.) felépülő összetett rendszerek. A polimerek szintézise megvalósítható polimerizációval, polikondenzációval, vagy poliaddícióval. Lehetnek hőre lágyuló (termoplasztikus) vagy hőre keményedő (duroplaszt) anyagok. A műanyagok elterjedt feldolgozási módszerei: extrudálás, fröccsöntés, kalanderezés, préselés, sajtolás, palackfúvás, stb. [7] Az 1. táblázat mutatja a leggyakrabban előforduló műanyagokat, jelölésüket és felhasználási területeiket: Jelölése
Műanyag neve
PE
Polietilén
PP
Polipropilén
PS
Polisztirol
Felhasználása csomagoló fólia, lágy tömlők, kábelszigetelés, zsugorfólia, tömítések, rekesz, zsugorszigetelés rekesz, akku-edény, gépkocsi műszerfal, lökhárító csomagoló anyagok, háztartási és elektronika eszközök csomagolása 1. táblázat
A legfontosabb műanyagok és felhasználási területeik [7],
4
Jelölése
Műanyag neve
PVC
Poli(vinil-klorid)
PA
Poliamid
PET
Polietilén-tereftalát
PC
Polikarbonát
Felhasználása csőgyártás, kábelborítás, ablakkeret, padlóburkoló, fóliák, elektronikai eszközök szálgyártás, csapágygolyó, autóipari borítások, orsók, benzinálló csövek üdítős palack, fólia, mikrohullámtűrő csomagolás, nyújtott szál biztonsági „üveg”, lencsék, szélvédő, szemüveg, orvosi cikkek gépészeti alkalmazás: fogaskerekek, csavar, vil-
POM
lamos alkatrészek, csapok, szelepek, pneumati-
Polioxi-metilén
kai csatlakozások
ABS
Akril-
elektronikai eszközök borítása (monitor, billen-
nitril/butadién/szirol-
tyűzet, törésálló burkolatok), autóipari alkatré-
kopolimer
szek 1.táblázat folytatása
A legfontosabb műanyagok és felhasználási területeik [7] A polimerek néhány fizikai és mechanikai tulajdonsága: Sűrűség
Szakítószilárdság
Olvadási hőmérséklet
LDPE HDPE PP kop. PS HIPS lPVC kPVC PA 66 PETamorf PC POM
920 950 910 1040 1030 1200 1400 1130 1300 1200 1410
10 30 25 50 30 15 60 100 80 63 60
110 130 162 240 240 140 165 255 255 240 168
ABS
1060
50
250
Anyag
Polietilén Polipropilén Polisztirol Polivinil-klorid Poliamid Polietilén-tereftalát Polikarbonát Polioxi-metilén Akril-nitril/butadién/szirolkopolimer
2. táblázat
Különböző műanyagok néhány tulajdonsága [7] 5
2.5.
A műanyag újrahasznosítás
Technológiai leírás: A műanyag hulladék újrahasznosításának technológiai folyamata (1. ábra) a hulladékkezelők és begyűjtők által összegyűjtött műanyag hulladék válogatása után az anyagfajtákra bontással indul. A műanyag alapanyag típusai a PE (polietilén), a PP (polipropilén) és a PS (polisztirol) stb. Ezek az anyagok különböző termékekként, fólia, műanyagpalackok, hordók, kupakok kerülnek a forgalomba, majd a szelektív hulladékgyűjtő rendszerekbe is. A hulladékgyűjtő cégek ezeket terméktípus szerint, préselt bála formájában bocsátják rendelkezésre az újrahasznosító üzemeknek, ahol ezeknek az anyagtulajdonságait figyelembe véve különböző eljárásokkal bontják és dolgozzák fel. Ezt a technológiai leírást az 1. ábra mutatja.
1. ábra
A Műanyag granulátum gyártásának technológiai folyamata[8]
6
A fólia típusú hulladékok újrahasznosításának első fázisa az ún. agglomerálás, melynek során gyakorlatilag ledarálódik a hulladékanyag, viszont a folyamatba bevitt vízzel történő hűtés hatására az összedarabolt anyag ún. agglomerátummá válik, amely jellemzően gubacsszerű, nagy víztartalmú darálék. Szükség esetén ezt meleg levegővel szárítják. Vannak technológiák, ahol a nincs vízhűtés, itt csak a fólia darabolása történik. A fólia típusú hulladékokkal szemben a nagyobb és keményebb darabokból álló hulladékok (hordók, kannák, rakodólapok) újrahasznosításának első lépése a darálás előtt egy ún. előaprítás. Ezt a darálékot szükség esetén átmossák a további műveletek előtt, ezért nincs szükség a nagyon kis szemcseméretű apríték elérésére. Az agglomerálás (fólia esetén) vagy a darálás (kemény műanyagok esetén) után a granulálás előkészítése következik. A gyártandó granulátum tulajdonságainak eléréséhez különböző adalékanyagokat, színezéket és mesterkeveréket (tulajdonságjavító összetevőket) adnak a ledarált alapanyaghoz. A homogenizálást általában csigás extruder gépek végzik, miközben a keveréket megolvasztják. A megömlesztett műanyagot huzalként hűtővízen keresztülhúzzák, majd ezt darabolják a megfelelő méretű granulátumokra. A re-granulátum, mint újrahasznosított műanyag, alkalmassá válik késztermék legyártására az ezt megvásárló műanyag feldolgozóknál.[8]
7
3. BÁLÁZÓ-TÖMÖRÍTŐ ÉS BONTÓ GÉPEK 3.1.
A bálázó-tömörítő gépek
A bálázó gépek többsége ugyanazon az elven működik, a tömörítő térbe behelyezett anyagokat egy függőleges irányban mozgó nyomólappal tömörítik megadott erővel a megfelelő sűrűségűre és méretűre. A keletkező bálák mérete a tömörítő tér méretétől függ. A különböző gépek különböző préselési erővel működnek. Például a MACFAB présgép gyártó cég egyik, kimondottan PET palackok préselésére kifejlesztett bálázója, a MACFAB 40-es gép 80 kN préselési erővel működik. A gép 0,6x0,535x0,46 m méretű bálákat készít, amelynek így 40 kg a tömege. Egy hasonló, ORWAK márkájú gép 30 kN tömörítő erővel rendelkezik, így ez egy 0,7x0,7x0,5 m nagyságú bálát tömörít, amely így 50-60 kg tömegű. [18]
2. ábra
Bálázó-présgépek (MACFAB gyártmány) [19]
3.2.
Aprításhoz használt gépek típusai
A szakirodalom és a gyártók ezeket a gépeket különböző szempontok szerint csoportosítják. A gyártók csak a forgó tengelyek száma szerint csoportosítják további típusokra, aszerint, milyen anyagtípusokat aprítanak fel vele. Ellenben a szakirodalomban a különböző eljárások szerint csoportosítják.
8
3.2.1. Vágómalom A vágómalmot leginkább nagyon kis méret eléréséhez, finomaprításhoz, őrléshez használják. A vágókéssel ellátott rotor nagy sebességgel forog egy nagyon stabilan elhelyezkedő házban. A házon ellenkések vannak elhelyezve. Az álló és a forgókések egymás melletti elhaladása biztosítja a nyírást, azaz az aprítást, az aprítóteret alul egy fenékszita határolja. A tárcsán elhelyezkedő vágóélek alakját és méretét a vágandó anyag típusa határozza meg. Továbbá a gép függőleges és vízszintes tengelyű is lehet, melyet a 3. ábra mutat. A vízszintes tengelyű gép részei a ház (1), a rotor (2), a vágókés (3), az állókés (4), a szitarács (5) és az adagolótölcsér (6). Működése az előzőekben leírt elven történik. A függőleges tengelyű gép részei az adagolótölcsér (1), a törőtölcsér (2), a markoló (3), a kopásálló kés (4) és a gyűrűs vágóhézag (5). A gép a konkrét vágási művelet előtt előtörést végez, majd ezután következik az aprítás. Itt az ellenkés szerepét a gyűrűs hézagvágó helyettesíti.
3. ábra
Egy vízszintes (bal oldali kép) és egy függőleges tengelyű (jobb oldali kép) gép [9] 3.2.2. Forgótárcsás nyíró-aprítógép Ez a típusú gép különösen alkalmas lágy, képlékeny, szívós, viszko-elasztikus és szálas anyagok, műanyag-, fém hulladékok elő-, durva- és középaprítására. A gép házában két vagy négy darab kis kerületi sebességű (0,2…0,6
) forgó
rotor található, amelyeken felváltva vágó- és távtartó tárcsák (4. ábra jobb oldali kép) vannak elhelyezve. A vágótárcsákon fogak vannak, melyek az aprítást végzik a forgásuk közben. A forgótárcsás nyíró-aprítógép kis kerületi sebessége miatt 9
általában kisebb energia bevitel mellett, csekély zajjal aprítja megfelelő méretűre a feladott anyagot. A vágás során a vágórést a két egymással szembe forgó vágótárcsák oldalélei és fogai szolgáltatják, amely általában kevesebb, mint 0,3…0,5 mm a vágás hatékonysága érdekében.
4. ábra
Egy négytengelyű aprító (bal oldali kép) és a tárcsák elhelyezkedése (jobb oldali kép)[9] Az vágótárcsa oldalélei nyírnak, a fogai pedig, mivel az esetek többségében a fogcsúcsok és a távtartó tárcsák közötti távolság több mm-t is elér, főként tépnek. Speciális lehúzó szerkezetek megakadályozzák, hogy a letépett és a keletkező résen áthúzott darabot a fogak magukkal vigyék. Az aprított anyag méretét a vágótárcsák szélessége, a tárcsák átmérője (kerülete) és a fogak tárcsánkénti száma határozza meg. Egy forgótárcsás nyíró-aprítógépet mutat a 4. ábra, amely részei az aprítótér (2), a karmos kialakítású tárcsák (3), az egymásba forgó vágótárcsák (4) és a rosta (5). 3.2.3. Forgó tépő-csavaró aprítógépek A forgó tépő-csavaró aprítógépek kis terhelési sebesség mellett dolgoznak. A forgó csavaró aprítóművekben (5. ábra) a rájuk jellemző, az aprítandó anyagban fellépő hajlításból, csavarásból eredő, húzó-igénybevételt a legtöbbször vízszintes tengelyű rotorra szerelt fogak hozzák létre.
10
5. ábra
Forgó tépő-csavaró aprítógépek és rotor kialakításuk [9] A fellépő húzó-igénybevétel iránya szerint rendszerezhetők ezek a berendezések. A rotor tengelyére merőleges húzó-igénybevétellel dolgozik az 5. ábra 1) jelű berendezése. A húzó-igénybevétel párhuzamos a rotor tengelyével a 2) gép esetén. A kettő kombinációja a 3) aprítógép. A rotoros tépő- csavaró aprítógépek alkalmasak többek közt háztartási lom (4...20 kWh/t), fa (15…40 kWh/t), papír- és kartonpapír-hulladékok, valamint nedves és tapadós ömlesztett anyagok (pl. komposzt (<11 kWh/t) ) aprítására. 3.2.4. Gyorsjárású rotoros tépőberendezések Nagyon sokoldalúak a fogakkal, bütykökkel, illetve késekkel ellátott rotorokkal dolgozó tépőberendezések, amelyek jól alkalmazható rostos anyagok aprítására. Példaképpen két ilyen berendezés mutat a 6. ábra:
6. ábra a)
Gyorsjárású rotoros tépő b) Papír shredder [9]
11
Az (a) gép részei a következők: rotor (1), tépőfogak (2), gépház (3), kémlelő/karbantartó nyílás (4), fésűfog (5), őrlőpálya (6), rosta (7), fogasléc (8), tépőfogakkal ellátott lengőkar (9) Ezekre a típusokra jellemző, hogy az aprítás a rotoron lévő tépőegységek, és a házra erősített fésűfogak, illetve tépőfogakkal ellátott lengőkar között jön létre. A papír és kartonpapír hulladékok jellemző aprítási tulajdonságai fésűs vagy fűrészfogalakú üllőkkel ellátott kalapácstörők alkalmazását tették szükségessé (6. ábra b kép). Ezeknél a berendezéseknél elengedhetetlen, hogy az aprítandó darabok hajlításával és csavarásával kapcsolatban lévő, aprításhoz megkívánt húzó erőt elérjük. 3.2.5. Kalapácsos törő Ezek a berendezések lágy, törékeny és szálas anyagok aprítására is alkalmasak, a szemcsés terményekre éppúgy, mint a burgonya vagy a cukorrépa készre aprítására. Töretük szemcsemérete igen széles tartományt fog át: durvatörésre is, finomaprításra és őrlésre egyaránt használhatók. A kalapácstörő egy acéllemezházban helyezkedik el, ahol egy gyorsan forgó rotor található. A rotoron csuklós ütőszerszámok (kalapácsok, verőgyűrűk) helyezkednek el. Ezek az ütőszerszámok a centrifugális erő hatására radiálisan elmozdulnak, az őrlőtérbe bevezetett anyagok ezek által aprózódnak. Durvatörők fogórészének kerületi sebessége 20… 30 / m s, középaprításra szolgáló gépeké 30… 40 m/s, őrlőké 60… 100 m/s. A kalapácsos törők (7. ábra) alapvetően ütésen-ütközésen alapuló aprítógépek: az anyagot a kalapácsok ütése, és az őrlőtér falához való ütközés aprítja. Szálas anyagok aprítása során egyfajta nyíróerő is fellép. A jobb aprítás elérésének érdekében (nyíróerők növelése) gyakran álló ellenkéseket is beépítenek, ezek közt halad nagy sebességgel a rotorra rögzített kalapács (ütőszerszám). Az anyag gépben való tartózkodási idejét a rosták perforációja szabja meg, úgy az elérendő szemcsenagyságot is. Az aprított anyag átlagos szemcsemérete azonban lényegesen kisebb, mint a rosta lyukmérete (a maximális szemcseméret a lyuknyílás fele). A dara finomságának szabályozása rosta nyílásméretének változtatásával végezhető el, melyek lyukátmérője általában 2–12 mm között változik.
12
7. ábra
Kalapácstörők vázlatos rajza [9] A fenti gépek (7. ábra) közül A-G-ig lengőkalapácsos gépeket láthatunk, melyek közül az A) lefelé ütő, B) vízszintesen ütő. A C) felfelé ütő, D) vízszintesen és/vagy lefelé ütő kalapácsokkal, ráccsal van ellátva. Továbbá az E) vízszintesen ütő, rácsnélküli, reverzálható fordulatú gép, az F) és G) zárt házú, az őrleményt légárammal elszállító, vízszintes, illetve függőleges tengelyű gépek. A H) merev ütőtestű (verőszárnyas) malom, az I) dezintegrátor (kétkalitkás ütőpálcás malom), a J) diszmembrátor (egy forgótárcsás ütőpálcás malom), A K) takarmány-feldolgozásra kifejlesztett berendezés. [9]
13
3.3.
Jelenleg a piacon előforduló gépek
Jelenleg a piacon nagyon széles választékban fordulnak elő a hulladékbála aprító gépek. A gyártók a fenti csoportosítással szemben csak a tengelyek száma szerint csoportosítják ezeket a gépeket. Az egytengelyes gépek 200-2500 kg/óra aprítékot képeznek óránként. A kéttengelyes gépek befogadóképessége 10003000 kg/óra, míg a négytengelyeseké 80-3000 kg/óra teljesítménnyel működnek. 3.3.1. Az piacon forgalomban lévő egytengelyű daráló gépek Ezek a darálók kiválóan alkalmasak nagy tömörségű, nagyobb darabos és szívós, a vágásnak ellenálló anyagok darálására. Működési vázlata:
8. ábra
Az egytengelyű aprító működési vázlata [10] A hulladékbálát (2) egy hidraulikus rendszerrel vezérelt előtoló (1) szorítja a forgó tengelyhez (3), melyen vágókések (4) vannak elhelyezve. Ezek a kések végzik az elsődleges roncsolást, majd a forgásnak köszönhetően az ellenkések (5) végzik a végső darabolást. Ez a folyamat addig tart, míg a darálék mérete el nem éri a megmunkáló tér alatt elhelyezett rosta furatméretét. A rendszerben működik egy vészleállító berendezés is. Ha ez túlzott ellenállást észlel, akkor az előtoló visszahúzódik, felszabadítva a betöltött anyagot, hogy a túlterhelésből adódó szerkezeti károsodást megelőzze.
14
Ilyen elven működő gép az ET M17-40 egytengelyes daráló: A gépnek erős, hegesztett acél vázszerkezete, masszív tengelye van, rajta a vágószerszámokat rögzítő fészekkel és négyszer átfordítható, extrém kopásálló ötvözetből készült vágószerszámokkal. Ezen felül két darab, alul és felül elhelyezett rendkívül masszív ellenkés van elhelyezve. A tengely szíjmeghajtású, a tengely vibrációjából eredő, mechanikai sérülések kivédése miatt. Az előtoló egység automatikus szabályozású hidraulikus rendszerrel van ellátva, melynek túlmelegedése ellen egy termosztátot és egy hűtőt építettek a rendszerbe. A túlterhelés esetének elkerülésére a rendszerhez csatlakozik egy elektromos vezérlőszekrény nyomatékhatárolóval, amely az előtoló szerkezetet visszahúzza. Ez a vezérlőszekrény alkalmas az üzem többi berendezésének vezérlésére is. A gép becsült termelési kapacitása az alapanyag fajtájától és méretétől függően 80-150 kg/óra. A gépnek cserélhető a rostája a darált anyag méretének szabályozására. 3.3.2. A piacon forgalomban lévő többtengelyes daráló gépek Ezek a gépek legnagyobb előnye, hogy bármilyen féle hulladék feldolgozására alkalmasak, ipari és kommunális eredetű hulladékok aprítására is. A különböző műanyagok, papír, karton, fa, csomagolás, különböző héjak, textil, bőr, irha, fémdobozok, kannák, gumiabroncsok, rézhulladékok nem jelentenek problémát sem a négytengelyes, sem a kéttengelyes darálók számára. További előnye az egytengelyes gépekhez képest, hogy jóval kisebb a zajkibocsátása, valamint a termelési kapacitása nagyobb tartományokban mozog. A többtengelyes aprító gépek működési elve: A berendezés egy adagoló egységből, leggyakrabban egy egyszerű betöltő garatból (1) áll. A betöltőnyílás feladata, hogy felügyelet nélkül is a legegyszerűbb módon biztosítsa az alapanyag elakadás mentes továbbítását az aprító térbe (2). A rendszer lelkét a speciálisan élezett és edzett karmos kialakítású tárcsák (3) képezik. A karmok szerepe, hogy megakasszák és a kettő vagy több tengelyen elhelyezett egymásba forgó vágótárcsák (4) közé továbbítsák a feldolgozásra szánt anyagot. Az aprítási műveletet az egymásba forduló, szintén karmos kialakítású, speciális vágótárcsák végzik.
15
9. ábra
Négy tengelyes aprító berendezés [10] Az aprító egységet általában váltóáramú aszinkron motorhoz kapcsolt hajtómű forgatja, így adva át az aprításhoz szükséges erőt. Túladagolás vagy az alapanyag megszorulásából eredő túlterheltség esetén a berendezés ideiglenesen visszafelé forogva akadályozza meg a túlterhelést, illetve a berendezés esetleges károsodását. A nagyobb aprított darabokat a karmos tárcsák mindaddig visszaforgatják az aprító tárcsák közé, míg az el nem éri a rostély furatainak méretét. Az anyag - a kívánt méret elérése után - egy perforált rostán (5) keresztül jut tovább. A többtengelyes aprítók jellemzői: Az aprítógépet lassító bolygókerekes hajtómű hajtja, a tengelyek közötti kapcsolódást és hajtásukat olajfürdőben futó fogaskerekek biztosítják. Minden gép csavarokkal szerelt, hogy a tárcsák élezéshez gyorsan szétszedhetők legyenek. Működés közben az aprító zajkibocsátása 80 dB alatt marad. Továbbá a gépnek az egytengelyű géphez hasonlóan cserélhető rostája van, azonban a rosta furatátmérőjének változtatása a teljesítményre kihat. Ilyen elven működik a KT B 70/80 D kéttengelyes daráló. Masszív, keresztgerendákkal erősített hegesztett acél vázszerkezettel rendelkezik, valamint fémhálós védelemmel vagy szállítószalagos kihordás fogadására alkalmas kialakítással. Az adagológarat oldható kötéssel rendelkező, hegesztett fémlemez.
16
Két hajtóművel rendelkezik. Az egyik egy bolygókerekes hajtómű, amely alkalmas nagy nyomatékok előállítására amellett, hogy a tömege jóval kisebb, mint a hagyományos hajtóműveknek. A vágótárcsák ferde éllel (22,5°) rendelkeznek a jobb behordás és vágás érdekében. Az egytengelyű géphez hasonlóan elektromos vezérlőszekrénnyel rendelkezik. Ezen felül egy LCD kijelzővel, amelyen a betöltő rendszer paramétereit lehet megadni.
10. ábra
Kéttengelyes daráló [10] A gép becsült termelési kapacitása az alapanyag fajtájától és méretétől függően 1000-1500 kg/óra, láthatóan jóval több, mint az egytengelyű gépeknél.[10] Ezek a gépek a szakirodalom által meghatározott forgótárcsás nyíróaprítógépek elvén működnek. 3.3.3. Egyéb aprítók A SHINI Plastic Thechnologies által gyártott darálók többféle kivitelben léteznek, melyek igen széleskörű felhasználásra adnak lehetőséget. A Shini daráló gépek alkalmasak fröccsgépek, flakonfúvók vagy extrudálók hulladék és selejtanyagainak központi újrahasznosítására. A gépek különlegessége a kései. Ezek ferdék és egymáshoz képest eltoltak is lehetnek.
17
11. ábra
Ferde kések [11] A lépcsőzetesen eltolt késelrendezés hatásosan növeli a vágás hatékonyságát. A késbefogók úgy lettek kialakítva, hogy meggyorsítsák a kések cseréjét és nincs szükség újraállításra. A ferdekéses kivitel növeli a hatékonyságot és csökkenti az energiafelhasználást. [11]
18
4. SZABADALOM KUTATÁS 4.1.
Szálas takarmánybálák bontására szolgáló berendezés
Ez a szerkezet a szabadalomban leírtak szerint szálas takarmányok, főként gyógy- és fűszernövényekből álló nagytömörségű bálák bontására alkalmas. Ezt mutatja a 12. ábra.
12. ábra
A bálabontó szerkezeti felépítése [12] A szerkezet tengelyét (9) egy motor (12) hajtja áttételen (13) keresztül. A tengely csapágyazva (10) van, továbbá rögzítve van hozzá a forgó dob, melynek egy sokszögletű hasáb kerete (1) van. A keret részeit a sarkoknál összekötő rudak (2) kapcsolják egymáshoz. A sokszögű hasáb keret kívül hálópalásttal (3) van burkolva, amelyek feszességét a kerethez kapcsolt feszítőelemekkel (4) lehet szabályozni. A szerkezet dobjába behelyezett bála a dob forgatása közben a keretekhez és a z összekötő rudakhoz ütközve fellazul, majd fokozatosan szétbomlik. A bontás intenzitását a kereteken és az összekötő rudakon elhelyezett foszlató fogak még jobban fokozzák. A felaprózódott töret a hálópaláston keresztül hullik ki. [12]
19
4.2.
Szálastakarmány bála bontó szerkezet
Ez a szerkezet szálas takarmányból készült bálák aprítására szolgál. A bálákat a betöltőnyíláson (2) helyezik a szerkezetbe, ahol késekkel ellátott forgó tárcsák vannak elhelyezve, melyek az előaprítást elvégzik, majd az aprítékot egy másik késekkel ellátott tárcsához (6) vezetik. A forgó szerkezetet a motor (11) hajtja tengelykapcsolón keresztül (10). Ezen forgórész alatt megfelelő méretű lyukakkal ellátott rosta van elhelyezve és az ez alatti réshez van csatlakoztatva egy fenékcső (12), mely a csatlakozó cső (13) és az átmeneti darab révén (14) egy ventillátorhoz (9) csatlakozik, mely ventilátor továbbítja az aprított anyagot a megfelelő helyre. A tárcsák forgási irányát a 17 és 18 jelű nyíl mutatja. Az aprítást követően a darabolt végtermék a kiosztó nyíláson (16) távozik. Ezt a szerkezetet mutatja a 13. ábra.[13]
13. ábra
A bálabontó szerkezet felépítése [13]
20
4.3.
Plastic shredding unit – Műanyag daráló egység
Ez a találmány különböző hosszúságú, szélességű és vastagságú műanyagból készült termékek, valamint többrétegű műanyag, illetve textil anyagok aprítására alkalmas gép. A gép lehetővé teszi az anyagok különböző méretű darabokra való aprítását, amely működését a 14. ábra mutatja.
14. ábra
Műanyag daráló egység felépítése [14] Ez a daráló berendezés két részből áll, melynek első egysége tartalmaz egy adagoló egységet (1), egy láncos vezető részt (2-4), mely biztosítja a különböző magasságú és hosszúságú darabolandó anyag megfelelő tapadását és stabil vezetését az adagoló asztalon, mely tapadást egy szorító egység (5) is elősegít. Az adagoló asztal egy vágó tárcsához (8) juttatja az aprítandó anyagot, mely vágó megfelelő méretűre darabolja a folyamatos reciprikus mozgása révén. Ezután az előaprítás után az előaprított anyagot egy másik adagoló egységen (10) keresztül egy másik vágótárcsához (15) vezetjük, ahol ez a tárcsa elvégzi a végső aprítást.[14]
21
5. MEGOLDÁSVÁLTOZATOK FELÁLLÍTÁSA ÉS ÉRTÉKELÉSE A piac-, szabadalom- és irodalomkutatást végezve több megoldásváltozatot is konstruáltam, melyek lényegesen eltérnek a forgalomban lévő gépektől. A megoldások felállításánál figyeltem a megoldások újszerűségére, egyszerűségére és megvalósíthatóságára. A megoldásváltozatok egymásra épülő komplexet alkotnak, melyeket a következőekben részletesen kifejtek, működésüket és működésükkel kapcsolatos problémáikat vizsgáltam a módszeres géptervezés szempontjait szem előtt tartva. A legjobb megoldás kiválasztásához értékelő kritériumokat állítottam fel, majd ezek súlyosságát megállapítva értékeltem a megoldásváltozatokat. Az ebből kapott eredményeket, valamint a gépek előnyeit és hátrányait figyelembe véve kiválasztottam a megfelelő megoldásváltozatot.
5.1.
Megoldásváltozatok 5.1.1. Körtárcsás bálabontó
A gép működésének rövid leírása: A berendezéshez a hulladék bálákat (12) szállítószalaggal vezetjük, majd ha a bálák a gép munkaasztalára kerülnek a motor (1) elindul és egy ékszíjhajtáson (2) keresztül forgásba hozza az anyát (3), melynek forgása az orsó (4) egyenes vonalú elmozdulását eredményezi, mellyel a vágáshoz szükséges előtolást biztosítjuk. A vágást egy henger (7) homlokfelületén elhelyezett megadott geometriájú koncentrikusan elhelyezkedő vágókések (8) és az asztalhoz erősített ellenfogak (álló kések) (9) végzik. A vágókések vágáshoz szükséges mozgását egy motor (10) fogaskerék hajtáson (11) keresztül biztosítja. Ha az orsóra szerelt csapágyazott tolólap (5) eléri a végállás kapcsolót (6) a motor (1) tengelyének forgásiránya ellentétes irányú lesz, és az adagolóegységet az eredeti állapotba juttatja vissza. A géphez továbbá csatlakozik egy adagoló és egy elvezető futószalag, valamint az egész gépet burkolat vesz körül, az esetleges balesetek elkerülése miatt.
22
15. ábra
A gép jelképes működési vázlata A tépő-vágó kés geometriája és elhelyezkedése a vágótárcsán: A vágótárcsán elhelyezkedő tépő-vágókés geometriája egy fél kúp, amelynek vége le van kerekítve, a késen ki van alakítva egy váll, valamint egy menetes szár a rögzítés megkönnyítése szempontjából. Ezt mutatja a 16. ábra. A tépővágókések a tárcsán koncentrikus körök mentén vannak rögzítve a kések szárán kialakított menetes rész segítségével, amelyek külön-külön szerelhetők és a kopás, törés és esetleges meghibásodás esetén külön-külön cserélhetők.
16. ábra
Kések geometriája és a körtárcsához való rögzítése A kések rögzítését a koncentrikus körökön az alábbi ábrák alapján oldottam meg.
23
17. ábra
A kések elhelyezkedése a vágótárcsán A körtárcsás bálabontó előnyei:
Körtárcsa hajtása egyszerű
Egyszerű szerkezet
Vágókések szerelhetősége, cseréje egyszerű
A körtárcsás bálabontó hátrányai:
Keményebb műanyagokból készült bálák bontására nem alkalmas a tépővágókések kopása miatt, valamint a forgást biztosító óriási nyomaték kialakulása miatt
A vágókések geometriájából adódó késkopás
A bálák mozgatásához szükséges külön mechanika
Vágáshoz – tépéshez szükséges erő meghatározásának nehézsége
Vágórés nagyságának meghatározásának nehézsége
Vágott anyag tárcsák környezetéből való eltávolításának nehézsége 5.1.2. Sínes bálabontó
A körtárcsás bontó hátrányait figyelembe véve vizsgáltam egy újabb megoldásváltozatot, melynél a körmozgás helyett alternáló mozgást alkalmaztam, hogy a kések vágás során megtett útját lerövidítsem, így megakadályozva a tépővágókések nagymértékű kopását és a mozgáshoz szükséges nyomatékot, ezáltal a teljesítményt is lecsökkentsem. A szerkezetnél a forgómozgást egy forgattyús mechanizmussal alakítottam át alternáló mozgássá. A tépő-vágókéseket párhuzamos síneken helyeztem el, valamint a kések geometriáját is változtattam. A sí24
nek ellentétes irányban mozognak, amelyek mozgása egyetlen forgattyús mechanizmus segítségével megoldható. A sínek ugyanabban a síkban helyezkednek el, mint a körtárcsás változatnál a vágótárcsa, így ehhez a megoldásváltozathoz is szükséges egy bálaadagoló szerkezet, amely az előzővel azonos kialakítású is lehet.
18. ábra
Sínes bálabontó A kések geometriájának kialakítása is eltér az előzőhöz képest a vágórés biztosítása érdekében. A megoldás során két geometriát is vizsgáltam, mindkét kés viselkedésével és előnyeivel is foglalkozva. A két változatot a 19. ábra mutatja. A bal oldali változat előnye, hogy egyszerű a kialakítása, így a gyártása is. A hasáb rész funkciója a vágás, a gúláé az anyag megfelelő helyre való juttatása. A hasáb élei végzik a vágást, melyek egyenes vágást biztosítanak.
19. ábra
Kések geometriai kialakításának változatai
25
A jobb oldali kés bonyolultabb geometriájú, ezáltal a gyártása költségesebb. Előnye, hogy az egész vágótest gúlaszerű kialakítása miatt vezeti az anyagot, a vágó élek pedig ferde vágást végeznek, így lecsökkentve a vágáshoz szükséges erőt. Az íves kialakítás pedig előnyös a vágás során, mivel ebbe a részbe is elterülhet az anyag. Sínes bálabontó előnyei:
A hajtásrendszer egyszerű
Keményebb műanyagokból készült bálák bontására is alkalmas
Vágókések szerelhetősége, cseréje egyszerű
Sínes bálabontó hátrányai:
Az alternáló mozgás miatt a síneket folyamatosan lassítani, gyorsítani kell
A bálaadagoló rendszer biztosította folyamatos nyomás miatt a vágósínek környezetéből a vágott anyag eltávolítása nehezen megoldott
Sínek bonyolult kialakítása
Sínek kenésének bonyolultsága a vágott anyag szennyezése miatt
A bálák mozgatásához szükséges külön mechanika
Vágáshoz – tépéshez szükséges erő meghatározásának nehézsége
Vágórés nagyságának meghatározásának nehézsége 5.1.3. Láncos bálabontó
Az alternáló mozgást elkerülve a hajtásnál, valamint figyelembe véve, hogy az előzőekben vizsgált szerkezeteknél a vágott anyag eltávolítása nehézségekbe ütközött egy olyan megoldás kidolgozását néztem meg, melynél ezek a hátrányok nem lépnek fel. Így egy láncos megoldást választottam, melynél az anyag a láncok folyamatos mozgása eredményeként a kések az aprított anyagot kiviszik az aprítótér két oldalára. A vágás-tépés folyamata hasonló a sínes bálabontóéval, annyi különbséggel, hogy itt a karmok folyamatosan egy irányba mozognak, ezáltal kisodorják a vágólap két oldalára a vágott darabokat. A szerkezet lényegében egymás mellé helyezett láncfűrészekből áll, melyek egy asztallapon vannak megvezetve. A láncok különleges kialakításúak. A forgalomban kapható füles láncra vannak rögzítve vágóelemek, melyek egyszerre tépik és vágják az anyagot. A különbség az előző
26
gépekhez képest, hogy az asztallap, amelyen a láncokat megvezetjük, vízszintes helyzetben van, így nem szükséges külön bálaadagoló rendszer kialakítása, mivel a tolóerőt a vágandó bálák súlya biztosítja.
20. ábra
Szabványos füles láncok Láncos bálabontó előnyei:
Láncok, láncszemek külön-külön, könnyen szerelhetők, cserélhetők
A láncokon rögzített vágó-tépőkampók külön-külön cserélhetők
A vágott anyag elvezetése a vágótérből megoldott
Nem szükséges külön rendszer a bálák mozgatásához a vágás során
Körmozgás (az előző, sínes változathoz képest)
Szabványos láncok használata
Keményebb műanyagokból készült bálák bontására is alkalmas
Láncos bálabontó hátrányai:
Láncok kenésének bonyolultsága a vágott anyag szennyezése miatt
Hajtáshoz bonyolult hajtómű szükséges, vagy ha ezt el szeretnénk kerülni, két darab motor szükséges
21. ábra
Láncos bálabontó mozgásviszonyai 27
5.2.
Értékelő kritériumok
Ahhoz, hogy ki tudjuk választani azt a megoldást, amely a feladat megoldásához legjobban megfelel, értékelő eljárást kell folytatni. Minden értékelő eljárás megfogalmazható az alábbi lépésekben:
az értékelő kritériumok összeállítása,
a kritériumok fontosságának meghatározása,
a kritérium értékének, - mérőszámának meghatározása,
az összérték meghatározása,
a megoldás-változatok összehasonlítása. 5.2.1. Értékelő kritériumok összeállítása
A megoldások megfelelő értékeléséhez értékelő kritériumokat kell megfogalmazni, amelyek alapján pontozni lehet az adott megoldásokat. A bálabontódaraboló berendezéseknél az alábbi értékelő szempontokat tartottam fontosnak: 1) A megoldás bonyolultsága 2) A megoldás újszerűsége 3) A megoldás várható költsége 4) Szerelhetőség, meghibásodott alkatrészek cseréje 5) Kezelés, üzemeltethetőség és hatékonyság 6) Környezettudatosság A táblázatban az értékelésemnek megfelelő pontszámokat feltüntettem.
28
Kritériumok 1. A megoldás bonyolultsága
Értékelő pontszám 0-2 3-5 6-8 9-10
2. A megoldás újszerűsége
3. A megoldás várható költsége
0-2 3-5 6-8 9-10 0-2 3-5 6-8 9-10
4. Szerelhetőség, meghibásodott alkatrészek cseréje
0-2 3-5 6-8 9-10
5. Kezelés, üzemeltethetőség és hatékonyság
6. Környezettudatosság
0-2 3-5 6-8 9-10 0-2 3-5 6-8 9-10
Értelmezés Sokféle/nem szabványos kiegészítő elemet tartalmaz, tervezése nehézségekbe ütközik Tartalmaz egyedi alkatrészeket, tervezése nehézkes Inkább szabványos alkatrészeket tartalmaz, tervezése megoldható Könnyen felépíthető, egyszerű/szabványos alkatrészek, tervezése egyszerű Ismert, adott működési elven működik Részben ismert, egyedi kialakítású Kevésbé ismert Teljesen új, egyedi kialakítású Jelentős költségekkel jár, egyedi alkatrészek Méltányolható költségekkel jár, egyedikönnyen gyártható alkatrészek Elfogadható költségekkel jár, inkább szabványos alkatrészeket tartalmaz Kis anyagi ráfordítást igényel, szabványos alkatrészek Alkatrészek nagymértékű kopása, meghibásodása, alkatrészcsere nem megoldott Alkatrészek kopnak, meghibásodhatnak, alkatrészcsere megoldható Alkatrészek kopása kismértékű, meghibásodás nem valószínű, alkatrészcsere megoldott Alkatrészek kopása, meghibásodása nem jellemző, alkatrészcsere megoldott Nehezen kezelhető, nem hatékony Nehézkesen kezelhető, kevésbé hatékony Elfogadhatóan kezelhető, hatékony Könnyű kezelés, hatékony A vágandó anyagot nagymértékben szenynyezi A vágandó anyagot szennyezi A vágandó anyagot kismértékben szennyezi A vágandó anyagot nem szennyezi 3. táblázat
Értékelő kritériumok 5.2.2. Kritérium súlyok meghatározása A kritériumokat egymáshoz viszonyítva össze kell tudni hasonlítani. Ezt egy fontossági mátrixban foglaljuk össze. A mátrix elemei Pij értékeket tartalmaznak úgy, hogy a 29
egyenlőség fennáll. A kritériumok száma n, akkor i, j = 1, 2, …, n. A mátrix négyzetes. Az i a sorokat, a j az oszlopokat jelöli. A mátrix első sorát kell kitölteni, melyet úgy kell elvégezni, hogy az 1. kritériumot összehasonlítjuk a j-ik kritériummal. Pl. ha az 1. fontosabb, mint a j-ik, ami értékkel kifejezve 0,8, akkor a P1j=0,8, a Pj1=1-P1j=1-0,8=0,2.
A főátló elemei Pii=0. A mátrix első sora és első oszlopa így kitölthető. Az összes többi elem meghatározható
összefüggéssel. A mátrix sorait összeadjuk így kapjuk
összefüggést, majd összeadjuk a sorokat, amiből kapjuk
összefüggést. A kapott P összeggel meghatározzuk az egyes sorok súlyait, azaz a kritériumok súlyát
ami 0 és 1 közötti értéket eredményez. A súlyzótényezők összege 1, azaz
30
[20]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
A megoldás bonyolultsága
A megoldás újszerűsége
A megoldás várható költsége
Szerelhetőség, meghibásodott alkatrészek cseréje
Kezelés, üzemeltethetőség és hatékonyság
Környezettudatosság
SORÖSZSZEGEK
KRITÉRIUMOK SÚLYA
0,3
0,5
0,1
1,60
0,107
0,8
4/13
3,34
0,222
1.
A megoldás bonyolultsága
0.0
0,2
0,5
2.
A megoldás újszerűsége
0,8
0.0
0,8
3.
A megoldás várható költsége
0,5
0,2
0.0
0,3
0,5
0,1
1,60
0,107
4.
Szerelhetőség, meghibásodott alkatrészek cseréje
0,7
7/19
0,7
0.0
0,7
7/34
2,67
0,178
5.
Kezelés, üzemeltethetőség és hatékonyság
0,5
0,2
0,5
0,3
0.0
0,1
1,60
0,107
6.
Környezettudatosság
0,9
9/13
0,9
27/34
0,9
0.0
4,19
0,279
15
1
12/19
4. táblázat
Értékelő kritériumok súlyosságának meghatározása 5.2.3. A megoldások értékelése A feltárt megoldások megadott szempontok szerinti értékelését a 8. táblázat tartalmazza. A táblázatban minden megoldás tartalmazza az értékelő pontszámot, a súlyozó tényezőt, és a súlyozással kapott értéket.
31
ÉRTÉKELÉS Értékelő szempontok
1. 2. 3. 4. 5. 6.
A megoldás bonyolultsága A megoldás újszerűsége A megoldás várható költsége Szerelhetőség, meghibásodott alkatrészek cseréje Kezelés, üzemeltethetőség és hatékonyság Környezettudatosság
Kritériumok súlya
1.változat Körtárcsás bálabontó PontÉrték szám
2.változat Sínes bálabontó PontÉrték szám
3.változat Láncos bálabontó PontÉrték szám
0,101 0,222 0,107 0,178
5 8 5 6
0,505 1,776 0,535 1,068
4 9 4 5
0,404 1,998 0,428 0,89
8 10 9 8
0,808 2,220 0,963 1,424
0,107
8
0,856
5
0,535
9
0,963
0,279
9
2,511
8
2,232
7
1,953
7,251
6,487
8,331
5. táblázat
A változatok értékelése Az értékelő kritériumok alapján, valamint figyelembe véve a gépek előnyeit és hátrányait, egyaránt a láncos bálabontó bizonyult a legmegfelelőbb megoldásnak. Ezért a továbbiakban ennek a gépnek a működésével és tervezésével foglalkoztam.
32
6. MŰANYAGOKON VÉGZETT VIZSGÁLATOK 6.1.
A műanyag anyagok különböző tulajdonságai 6.1.1. Műanyagok általánosan
A dolgozatomban az újrahasznosítás során a műanyagok újrahasznosítását tűztem ki legfőbb célul, mivel a fejlődő világban egyre inkább teret hódítanak. Ezt támasztja alá a 22. ábra. Látható, hogy az 1940-es évektől teret hódítanak a műanyagok, és egyre szélesebb skálát mutatnak a polimerfajták. A tervezett gép kimondottan a műanyag PET palackokból tömörített bálák bontására alkalmas berendezés, mivel a műanyag üdítőspalackok újrahasznosítása igen jelentős szerepet játszik a környezettudatos életben. A különböző műanyagokkal és nem műanyag anyagokkal összehasonlítva, kiemelve vizsgálom a PET (polietilén-tereftalát) tulajdonságait.
22. ábra
A fémek, polimerek, kerámiák és kompozitok viszonylagos szerepének, fontosságának változása a történelem során [7] A polimerek olyan hosszúláncú szerves kémiai vegyületek, amelyben sok ezer elemi építőegység, ún. monomer kötődik egymáshoz elsődleges kémiai kötéssel. A polimerekkel foglalkozó tudomány, a polimertechnika magába foglalja a szálas, rostos és amorf, természetes és mesterséges eredetű polimereket; a műanyagok, 33
elasztomerek, ragasztó- bevonó- és kötőanyagok változatos formáit, s ezek társított (kompozit) rendszereit. A polimer anyagok tulajdonságainak meghatározásának nehézsége abban is rejlik, hogy amíg egy fémes szerkezetnél a kristály rácspontok jól meghatározott elrendezésűek és méretűek, addig a polimermolekula hosszú láncokat alkot, amely láncok legritkább esetben sem rendezettek, hanem leginkább gombolyag, szerkezete nem lineáris. A műanyagok kémiai értelemben egy vagy többféle polimerből és adalékanyagokból (töltőanyagok, stabilizátorok, lágyítók, csúsztatók, színezőanyagok, stb.) felépülő összetett rendszerek. A polimerek szintézise megvalósítható polimerizációval, polikondenzációval, vagy poliaddícióval. A műanyagok elterjedt feldolgozási módszerei: extrudálás, fröccsöntés, kalanderezés, préselés, sajtolás, palackfúvás, stb. [7] A polimereket különböző szempontok szerint csoportosíthatjuk:
Kémiai láncszerkezetük alapján: o szénvázas, a polimer láncban csak szenet tartalmazó o heteroláncú, a láncban egyéb atomot is (oxigént, nitrogént, ként) tartalmazó polimerek
Képlékeny (plasztikus) alakíthatóság alapján: o Hőre lágyuló polimerek:
kristályos: LDPE,HDPE, PP, PA, POM, PET
amorf: PVC, PS, ABS
o Hőre nem lágyuló (térhálós) polimerek
ritka térhálós elasztomerek: NR, PUR
sűrű térhálós duromerek: PF, EP, UP
6.1.2. PET (Polietilén-tereftalát) tulajdonságai és újrahasznosítása A polietilén-tereftalát (PET) az egyik legfontosabb műanyagok közé tartozik, különösen mióta palackok gyártásának alapanyagává vált. A „friss” PET, azaz a még nem újrahasznosított polimer előállítása igen drága, ezért is erősödött az igény az újrahasznosításra. A PET-et több lépésben állítják elő észterezési és polimerizációs reakciókban. A palackgyártásra alkalmas típusait ún. szilárd fázisú polimerizációval (solid state polymerisation SSP) állítják elő. Mivel a tiszta PET homopolimer viszonylag rideg 34
és lassú a kristályosodása, nem mindig használható palackgyártásra, ezért legfőbbképp a kopolimerjeit használják (pl.: natflatin-dikarbonsavat vagy izoflátsavat tartalmazó kopolimereket.) A friss PET néhány tulajdonságát tartalmazza a 6. táblázat. Tulajdonság
Mértékegység
Érték
Tömegátlag molekulatömeg
30 000 – 80 000
Sűrűség
1,41
Üvegedési hőmérséklet
69-115
Olvadáspont
265
Olvadáshő
166
Szakítószilárdság
MPa
50
Young modulus
MPa
1700
%
4
Nyúlás a folyáshatáron Ütésállóság
90
Vízfelvétel (24 óra után)
%
0,5
6. táblázat
A friss PET néhány tulajdonsága [21] Az ipar egyre inkább igényt tart az újrahasznosított PET granulátumokra, azonban az újrahasznosításra kerülő polietilén-tereftalát anyagoknak igen szigorú előírásai vannak. Ezeket az előírásokat tartalmazza a 7. táblázat. Tulajdonság
Érték
Belső viszkozitás Olvadáspont Nedvességtartalom Szemcseméret Színezéktartalom Fémtartalom PVC-tartalom Poliolefin tartalom Sárgulási index 7. táblázat
Az ömledék formájú újrafeldolgozáshoz használható PET hulladék tulajdonságai [21] 35
A feldolgozhatóság legfontosabb követelménye a kis szennyezőanyag tartalom. A legnagyobb kárt a különböző savak okozzák, de szennyezőnek számít a víz is, mivel ez hidrolitikus reakciók miatt csökkenti a polimer átlagos molekulatömegét. Ez a darabolást követő mosási fázisból maradhat az anyagban, azonban a menynyiségét a mosást követő szárítással csökkentik. Nem kívánatos elszíneződést okozhatnak a színezett palackok, illetve a címkéken lévő színezék. Ezek ellen előválogatással és mosással védekeznek. A válogatásnak további célja a nem PET anyagból készült palackok kiszűrése az újrahasznosítandó anyagok közül, mivel az újrafeldolgozás csak fajtahomogén, egynemű anyag esetén lehetséges. Tehát a PET műanyag semmi esetre sem keveredhet más műanyagokkal, mivel két polimer keverékét (az együttes rendszer lehűlése utáni) szilárd állapotban akkor nevezhetjük homogén keveréknek, ha a rendszer egyetlen fázist alkot. Ez azt jelenti, hogy hiába kevernénk össze két azonos olvadáspontú hőre lágyuló műanyagot, lehűléskor a legtöbbször fáziselválást, szétkeveredést tapasztalnánk. A 8. táblázat mutatja a polimerek összeférhetőségét. Látható, hogy a PET semelyik másik műanyaggal nem alkotna egyfázisú rendszert. Emiatt igen fontos a nem PET anyagú palackok kiválogatása az újrahasznosításra kerülő anyagoktól. Ilyen palackok a különböző vegyszeres, olajos palackok, amelyek anyaga általában PVC, poliolefin és egyéb műanyagok. [21]
PS SAN ABS PA PC PMMA PVC PP LDPE HDPE PET
PS 1 6 6 5 6 4 6 6 6 6 5
SAN ABS 1 1 6 2 1 2 6 6 6 6
1 6 2 1 3 6 6 6 5
PA
PC
1 6 6 6 6 6 6 5
1 1 5 6 6 6 1
PMMA PVC
1 1 6 6 6 6
1 6 6 6 6
PP
1 6 6 6
LDPE HDPE PET
1 1 6
1 6
8. táblázat
Hőre lágyuló polimerek kétalkotós rendszereinek összeférhetősége 1: jól keveredő, 6: (inkompatibilis) összeférhetetlen [7]
36
1
6.1.3. A műanyagok mechanikai tulajdonságai A műanyag anyagok tulajdonságai erősen függ típusától és a környezeti tulajdonságoktól. A műanyagok szakítódiagramja különböző, attól függően, hogy az hőre lágyuló, hőre keményedő vagy elasztomer, ezt jelzi a 23. ábra. A PET hőre lágyuló polimerek közé tartozik, egy ennek a szakítódiagramja a kék görbéhez hasonló.
23. ábra
Műanyagok szakítódiagramja fajtája szerint [22] A különböző műanyagtípusok szerinti szakítódiagramot ábrázolja a 24. ábra. Látható itt is, hogy elkülönülnek ezek a jelleggörbék. Feladatomban a műanyag PET palackok darabolásának (tépésének és vágásának) kidolgozását kell megoldanom, azonban a szükséges erő meghatározásának nehézsége volt a műanyag anyagok eltérő tulajdonsága, valamint az, hogy nem tiszta vágásról, illetve tépésről beszélhetünk.
24. ábra
Műszaki- és tömeg-műanyagok jellegzetes szakítódiagramja szobahőmérsékleten [23]
37
További nehézséget jelent a műanyagok tulajdonságainak hőmérsékletfüggése is. A polimereknél a szakítószilárdság a hőmérséklet függvényében nagymértékben változhat. Ezt mutatja a 25. ábra. A szakítószilárdság értéke akár a felére is csökkenhet 20 °C-os hőmérsékletemelkedés következtében.
25. ábra
Műanyagok szakítószilárdsága a hőmérséklet függvényében [23]
6.2.
Az általam végzett vizsgálatok, mérések 6.2.1. Súrlódásmérés
A műanyagok vágására a Gép- és Terméktervezési Intézet egyik mérőműszerének átalakításával végeztem kísérleteket. A mérőműszer működési vázlatát a 26. ábra mutatja. A súrlódó anyagok egyike acéllemez (7), ami a mérő-kocsin (6) rögzített, a másik körgyűrű alakú, különböző minőségű anyag, melyet egy bonamid hengerbe (8) illeszthetünk. Az összeszorító erő változtatása érdekében különböző tömegű terhelések (9) helyezhetőek a rendszerre. A súrlódási ellenállást egy mérőhuzal (5) közvetíti a hitelesített mikrométeres dinamóméterhez (4). A mérő-kocsi állandó sebességét egy villamos motor (12) biztosítja az i=16 áttételű hajtóművön (11) és egy vonózsinóron (10) át. A motor kikapcsolása után az ellensúly (1) a csiga (2) egy drótkötél (3) segítségével a kiinduló helyzetbe hozza vissza a mérő-kocsit, és a mérés újból kezdődhet.
38
26. ábra
A Gép- és Terméktervezési Intézet mérőműszere [16] Az átalakított berendezést a 27. ábra mutatja. A mérő-kocsin rögzített acéllemezre (7) egy fakeretet illesztettem, melybe a különböző minőségű műanyag anyagokat helyeztem. A fa keretre azért volt szükség, hogy a mozgásviszonyok miatt a műanyag lapok ne mozduljanak el.
27. ábra
Az átalakított mérőműszer mérés közben A mérőműszerre kötött bonamid hengerre (8) a Gép- és Terméktervezési Intézet műhelyében legyártott vágó-tépőkést rögzítettem, ezt mutatja a 28. ábra.
39
28. ábra
A mérőműszerbe illesztett vágó kés A vágókés mérete miatt a vizsgálatnál használt anyagok különböző szigetelő (hungarocell) anyagok voltak. Ezeket az anyagminőségeket a 29. ábra mutatja.
29. ábra
Mérések alatt használt anyagminőségek A vizsgálat eredményesnek bizonyult, tapasztalható volt a vágás és a tépés kettős jelensége is. Az eredményeket számszerűsítettem is. Az Fn összeszorító erő a G súlyterheléssel változtatható: ó
A befogó súlya: ó
A súlyterhelést a Gsúly=mg összefüggésből számolható, ahol az m a terhelő tömeg, mely a foggal ellátott hengerre helyezhető és változtatható nagyságú fém hengerek. Az Fn változtatásával változik az az erő, ami a vágáshoz szükséges. A dinamóméter ezzel az erővel arányos kitérést mutat. A műszer kitérése és az erő közti arányossági tényező
á
. Így az erőt az alábbi összefüggéssel számol-
hatjuk:
40
Ahol:
A
arányossági tényező
á
a műszer kitérése
A kapott eredményeket táblázatokban és diagramokban is ábrázoltam. Az első anyagminőség egy polisztirol szigetelőanyag, amely vastagsága 30 mm. Mérés típusa
1. 2.
Késsel történő mérés
Súlyterhelés
Összeszorító erő
20
Arányossági tényező
20,9
0,206
3. 4. Kés 5. nélküli mérés
6.
10
10,9
20
20,9
30
30,9
0,206
A műszer kitérése
Súrlódási erő
Súrlódási tényező
70
14,42
0,690
80
16,48
0,789
70
14,42
0,690
13
2,68
0,246
25
5,15
0,246
35
7,21
0,233
9. táblázat
Az első anyagminőséggel mért adatok A késsel történő mérésnél 1 kg-os terhelés esetén a kés kifordult az anyagból, így ennek a mérésnek az eredményei értékelhetetlenek voltak. A mérést 2 kg-os terheléssel többször elvégezve hasonló eredményeket kaptam. Ezeket mutatja a 9. táblázat 1-2-3. sora. A mérést ezután elvégeztem úgy, hogy a bonamid hengert megfordítottam, így kés nélkül is megmértem ezeket az adatokat. A mérést elvégeztem 1, 2, illetve 3 kg-os terheléssel is, amelyek eredményét a 9. táblázat 3-4-5. sora mutatja. A kés nélküli méréseket a pontosabb eredmények érdekében végeztem el. A mérést elvégeztem a második anyagminőséggel is, mely egy szivacsszerű polisztirol szigetelő anyag. A mérést, az előző anyaghoz hasonlóan, késsel és kés nélkül is elvégeztem. A késsel történő mérésnél a 2 kg terheléssel a fog néhány mérésnél kifordult, de a mérések eredményeit átlagolva ezt feltüntettem a 10. táblázat 1. sorában. A mérést ezután 3 kg-os terheléssel végeztem, amelynél már a kés nem fordult ki az 41
anyagból, így a mérés már értékelhető eredményeket adott. Ezeket az értékeket is átlagoltam, az eredményeket a 10. táblázat 2. sora mutatja. A mérést kés nélkül is elvégeztem, ezt 1, 2 és 3 kg-os terheléssel. A mérési eredményeket szintén feltüntettem a 10. táblázat 3-4-5. sorában. Mérés típusa
1. 2.
Késsel történő mérés
3. Kés 4. nélküli mérés
5.
Súlyterhelés
Összeszorító erő
20
20,9
Arányossági tényező
A műszer kitérése
Súrlódási erő
Súrlódási tényező
75
15,45
0,739
0,206 30
30,9
110
22,66
0,733
10
10,9
10
2,06
0,189
20
20,9
20
4,12
0,197
30
30,9
30
6,18
0,200
0,206
10. táblázat
A második anyagminőséggel mért adatok A mért adatoknál szintén megfigyelhető, hogy a súrlódási tényező értékére a különböző méréseknél azonos adatok tapasztalhatók. A mérést elvégeztem az első anyagminőséghez hasonló anyaggal, mely lazább, kisebb szemcsékből áll. A mérés eredményei a 11. táblázatban találhatók. Mérés típusa
1. 2.
Késsel történő mérés
Kés nél3. küli mérés
4.
Súlyterhelés
Összeszorító erő
Arányossági tényező
A műszer kitérése
Súrlódási erő
Súrlódási tényező
20
20,9
0,206
70
14,42
0,690
10
10,9
6
1,24
0,113
20
20,9
12
2,47
0,118
30
30,9
17
3,50
0,113
0,206
11. táblázat
A harmadik anyagminőséggel mért adatok
42
A késsel való mérést ugyanúgy 2 kg-os terheléssel végeztem, ebből az anyagból sem fordult ki a kés, hasonlóan az első anyaghoz képest. A mérés során hasonló eredményekre számítottam, mint az előző anyagoknál. A kapott mérési eredményeket a könnyebb értékelés érdekében függvényeken ábrázoltam. Először ábrázoltam az
súrlódó erőt az
összeszorító erő függvényében,
amely függvényeket a 30. ábra mutat. A diagramon látható, hogy a mérési adatok egy egyenesre esnek, valamint az egyeneseket meghosszabbítva az origón mennek át. Az ábrán feltüntettem a késsel és a kés nélküli eredményeket is. Látható, hogy a kés nélküli mérések egyenesei kisebb meredekségűek, ezt vártuk a mérés után. A második anyagminőség mérései bizonyultak a legjobban értékelhetőnek, tehát a továbbiakban ezeket az adatokat használom. A mért adatok alapján továbbá ábrázoltam a különböző anyagok nyezőjét is az
súrlódási té-
összeszorító erő függvényében. Ezt a diagramot a 31. ábra mu-
tatja. A függvények közel vízszintes egyenesek, melyek szintén jól mutatják a mérési eredményeinket. Az ábrából leolvasható, hogy a kés nélkül végzett kísérleteknél a legnagyobb súrlódási tényezője az 1. anyagminőségnek van, valamint a késsel végzett kísérletek alapján a legnagyobb súrlódási tényezője a 2. anyagminőségnek. Tehát a második anyagminőséget bizonyult a legnehezebben vághatónak.
43
30. ábra
Az
súrlódási erő az
összeszorító erő függvényében.
31. ábra
A
súrlódási tényező értéke az
44
összeszorító erő függvényében
6.2.2. Szakítóvizsgálatok A pontosabb erő meghatározáshoz a műanyag palackszájak tépővizsgálatát készítettem el. A vizsgálatot az Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet műhelyében végeztem el. A méréshez előzetesen befogó szerszámot, melegen hajlítva készítettem.
32. ábra
Befogás módszere A mérések során többféle palack száját is elszakítottam, voltak közötte színes, illetve vegyszeres palackok is, melyek nem PET alapanyagú polimerből készültek. A műanyag palackszájakat a 32. ábra látható módon fogtam be a befogószerszámok segítségével. A mérések során számszerű eredményeket kaptam a tépőerő nagyságára, amelyeket diagramokban ábrázoltam a nyúlás függvényében. Az összes mérési eredményt a 33. ábra tartalmazza
33. ábra
Az összes mérési eredmény F-s diagramon 45
A palackok típusa:
R1018x01
Fanta narancsízű üdítős PET palack
R1018x02
LIDL ARGUS (zöld színű, nem PET alapanyagú palackszáj)
R1018x03
Pepsi cola PET palack
R1018x04
Nestle Aquarel ásványvizes PET palack
R1018x05
Ásványvizes PET palack
R1018x06
Saguaro ásványvizes PET palack
R1018x07
Saguaro ásványvizes PET palack
R1018x08
Naturaqua ásványvizes PET palack
R1018x09
Traubi szoda (zöld színű, nem PET alapanyagú palackszáj)
R1018x10
Denaturált szeszes palack (nem PET alapanyagú)
R1018x11
NESTEA lemon PET palack
R1018x12
NESTEA peach PET palack
Ezek közül a nem PET alapanyagú palackok a 2., a 10. és valószínűleg a 9. sorszámú is. A színes (2. sorszámú) flakon tépésénél kimagaslóan nagy erőt tapasztaltam, valamint a színes és denaturált szeszes flakon tépése során rideg viselkedést, nyúlási szakasz alig volt, rögtön elszakadt a mérési darab. Ezek tépési jelleggörbéit mutatja a 34. ábra összehasonlítva egy PET alapanyagú műanyag flakon tépése során tapasztalt értékekkel.
34. ábra
Nem PET alapanyagú palackok mérései összehasonlítva PET alapanyagúval
46
A mérés során vizsgáltam különböző átmérőjű palack szájakat is. Ezeknél a méréseknél azt tapasztaltam, hogy a jelleggörbe kis mértékben eltért a kisebb palackoknál mért adatoktól, azonban maximális erőszükséglet hasonló értékeket mutatott. A két nagyobb átmérőjű palackszáj mérési eredményét a 35. ábra tartalmazza összehasonlítva egy kisebb átmérőjű palackszájnál mérttel.
35. ábra
Nagyobb és kisebb átmérőjű palackszájak mérési eredményei F-s diagramon A mérések során kapott eredményeket táblázatban is feltüntettem. Ezek az adatok láthatóak a 12. táblázatban. Sorszám R1018x01 R1018x02 R1018x03 R1018x04 R1018x05 R1018x06 R1018X07 R1018x08 R1018x09 R1018x10 R1018x11 R1018x12 A mért maximális erő:
Maximális tépőerő F [N] 3333,3533 3721,0808 3059,3594 2685,4177 3988,1821 3455,7029 3262,7007 3274,7634 2099,5183 3173,0925 3061,0825 3988,1821 N
A maximális tépőerőnél mért szerszámelmozdulás s [mm] 14,25506 11,952863 11,153296 11,801221 16,450424 15,502662 14,454954 18,15295 16,550371 21,45116 21,802694
12. táblázat
A mért adatok összehasonlító táblázata
47
Látható a táblázatban, hogy közel azonos erőket lehetett mérni egy-két kivétellel. Látható az is, hogy az utolsó két eredménynél (R1018x11-12) a maximális erőnél a szerszám elmozdulása nagyobb érték, ennek oka, hogy ennek az átmérője nagyobb. Az R1018x05-ös számú mérés a befogószerszám méretei miatt nem volt befogható, emiatt ennek a mérésnek nem lettek eredményei. Tapasztalható volt a hasonló görbe és értékeken kívül, hogy a műanyag kupakok majdnem azonos helyen és módón nyúltak meg és szakadtak el. Ezt mutatja a 36. ábra.
36. ábra
Az elszakított darabok 6.2.3. Vizsgálatokból levont következtetések A súrlódásmérő berendezés átalakításával végzett kísérlet alapján megállapítható, hogy a műanyag anyagok téphetőek és vághatóak. A tépő – szakítóvizsgálat alapján a tervezendő gép számításaihoz szükséges erő is megállapítható, melyet a mért adatok elemzése során egy maximális értékre vettem fel. A műanyag palackszáj tépéséhez szükséges erő a szakítóvizsgálatok alapján: Figyelembe kell venni, hogy ez az erő csak a tépéshez tartozik, tehát ez az érték a valóságban a tervezett gépnél kisebb érték, mivel itt nem csak tépés, hanem vágás is van.
48
7. ALKATRÉSZEK MÉRETEZÉSE, KIVÁLASZTÁSA A megfelelő számításokhoz előzetes elrendezést határoztam meg. A bontandó préselt bálák mérete 0,1 m3 és 1 m3 méretek között mozognak. Így az 1 m3 méretű bálák méreteihez alakítom ki a gépet, így egyaránt alkalmas lesz a kisebb és nagyobb méretű bálák bontására is. Így a beöntő garat méretét úgy határoztam meg, hogy az 1m3-es bálák ne akadjanak meg, tehát 1,5x1,5 m oldalhosszúságú garat szükséges. Ehhez a mérethez választottam a vágólap méretét, melynek ezt a méretet teljes mértékben le kell fednie. Ezt a méretet előzetesen 1,6x1,6 m-re határoztam meg, ez a méret a lánchajtás tengelytávolságával azonos.
7.1.
Láncszámítások
A becsült, ismert és mért adatok alapján a lánchajtásnál kiinduló értékei: Lánchajtás előzetes tengelytávolsága: Áttétel: Kerületi sebesség:
Az előzetes méretek meghatározása alapján 10 láncsort tervezek elhelyezni a vágólapon, így egy-egy hajtáshoz 5-5 lánc tartozik. Egy-egy láncon az érintkező kések száma: így ezek egymástól kb. 160 mm-re vannak. Ezek az adatok becsült értékek, a további számítások során ezeket pontosabban is meghatározom. 7.1.1. A szükséges teljesítmény előszámítása: A palackszáj szakításához szükséges erőt felhasználva, valamint figyelembe véve, hogy egyszerre közelítőleg 10 tépőkés érintkezik a darabolandó anyaggal, egy láncon fellépő kerületi erő nagysága: Egy motorról működtetett láncok számát is figyelembe véve, a szükséges erő:
49
A láncok számításánál használt képletek alapján:
Ahol:
tervezési teljesítmény
kerületi sebesség
motor teljesítmény
fogszám tényező
áttételtől függő tényező
üzemtényező
tengelytávtényező
kenési tényező
hőmérséklettényező
üzemidő tényező
A különböző tényezők értékeit a későbbiekbe részletezve bemutatom. Ezek szorzata: Az előzőekben már megállapítottam a szükséges erőt, valamint a kerületi sebesség közelítő értékét, ezek alapján a tervezési teljesítmény:
A tervezési teljesítményből számítható a módosító tényezők segítségével a szükséges motorteljesítmény:
Ehhez az értékhez az Agisys motorkatalógusából motort választottam. A motor CRT –T2CR motorcsalád tagja, amelynek jellemzőit a 37. ábra mutatja.
50
37. ábra
A motorcsalád jellemzői [24] Az általam választott motor műszaki adatai: Motor típus
15
Pólus
Sorozat
6
CRT
Energiaosztály E1
n 972
Zaj [dB(A) ] 73
Tömeg [kg] 161,5
13. táblázat
A választott motor adatai [24] 7.1.2. A motort kiválasztva készített számítások Az egy láncra jutó teljesítményt, mellyel számítani fogok, úgy határoztam meg, hogy figyelembe vettem, hogy 1 motorról 5 lánckereket hajtok meg. Így a motor teljesítményét ezzel osztottam: Így a tényleges tervezési teljesítmény: A különböző módosító tényezők értékeit, mint már említettem, ebben a fejezetben fogom tárgyalni. A fogszám tényező értékét a 19 db foggal rendelkező lánckerékhez viszonyítom:
Katalógusajánlások alapján a nagy erőszükséglet miatt igen nagy osztású lánc lesz szükséges, tehát a fogszámot ehhez választottam. A megfelelő fogszámok ajánlása a 14. táblázat található.
51
Hajtott lánckerék fogszáma, 25 38 57 76 95 114
Hajtó lánckerék fogszáma, 15
17
19
21
23
25
2,53 3,80 5,07 6,33 7,60
2,23 3,35 4,47 5,59 6,70
2,00 3,00 4,00 5,00 6,00
1,80 2,71 3,62 4,52 5,43
1,65 2,48 3,30 4,13 4,96
1 1,52 2,28 3,04 3,80 4,56
14. táblázat
A fogszámok és az áttételek közötti kapcsolat [25] A hajtó lánckerék fogszáma: A hajtott lánckerék fogszáma: Tehát a fogszám tényező értéke:
A
áttételtől függő tényező értéke a 15. táblázatból határozható meg. i
1 1,25
2 1,11
3 1
4 0,94
6 0,89
15. táblázat
Az áttételtől függő tényező értékei [25]
Az
üzemtényező értékét a hajtó gép és a hajtott gép jellemzője határozza
meg. Ennek értékeit a 16. táblázat tartalmazza. Hajtott gép jellemzője Egyenletes járás Enyhe lökések Közepes lökések Erős lökések
Egyenletes járás 1 1,2 1,4 1,6
Hajtógép Jellemzője Enyhe lökések 1,1 1,3 1,5 1,7
Erős lökések 1,2 1,4 1,7 1,9
16. táblázat
Az üzemi tényező értékei [25]
A tengelytávtényező értékét előzetesen becsültem meg, értékeit a 17. táblázatban tüntettem fel. 52
20 1,2
40 1
60 0,9
80 0,85
0,7
17. táblázat
A tengelytávtényező értékei [25]
A kenési tényező értékét esetemben csak becsülni tudom, mert egyelőre a kenési rendszert nem határoztam meg. Értékeit a 18. táblázat tartalmazza. Kenési, üzemelési körülmények - Tökéletes kenés és karbantartás - Szakszerűen használt önkenő láncok - Alárendelt helyen, elégséges kenéssel működő láncok -Kis és közepes igénybevételű láncok megfelelő szűrt kenéssel és elfogadható karbantartással Közepes és nagy igénybevételű láncok, kenéssel és elfogadható karbantartással Közepes és nagy igénybevételű láncok kenés nélkül
Kenési tényező, 1
1,25 2-3 5
18. táblázat
A kenési tényező értékei [25]
A hőmérséklettényező értékének meghatározásánál figyelembe vettem, hogy nem nagy fordulatszámok vannak, így a hőmérséklet értéke nem haladja meg a 80-150 °C-ot. Hőmérséklet [°C]
0-80 1
80-150 1,1
150-250 1,2
19. táblázat
A hőmérséklettényező értéke [25]
Az üzemidő tényező meghatározása: Üzemóra naponta
0-8 1 20. táblázat
8-16 1,1
Az üzemi tényező értéke [25]
Így a tényleges tervezési teljesítmény:
53
16-24 1,2
Ehhez az értékhez láncosztást választok, amely: Ez a lánc a DIN 8187 alapján a 48B-s jelű lánc, amely méreteit a 39. ábra mutatja.
38. ábra
48B-s lánc méretei DIN8187 alapján További műszaki adatai: Szakítóerő: Folyómétertömeg: Csuklófelület: Lánctagok száma:
Tényleges tengelytávolság:
54
A láncot terhelő erők: Kerületi erő:
Ebből az értékből látható, hogy a hajtáshoz szükséges teljesítmény számítását helyesen végeztük el, mivel a szükséges vágási erő egy láncon 20 kN volt, és a számítások után ennél magasabb, 21,78 kN erőt kaptunk, így a számításokat tovább folytatom. A centrifugális erő: Kis sebességeknél (tehát az esetemben) nem szükséges a számítása, mivel a kerületi erő értékéhez elhanyagolhatóan kis értéket kapunk. Ezt a számítást elvégeztem, hogy ezt bizonyítsam.
Értéke valóban elhanyagolható a kerületi erőhöz képest. Teljes h zóerő: A teljes húzóerő a centrifugális és a kerületi erő összegéből adódik: Ellenőrzés: Ellenőrzés felületi nyomásra:
Ahol az ébredő felületi nyomás:
A megengedett felületi nyomás:
55
Ahol:
a lánc alap felületi nyomása
a súrlódást figyelembe vevő tényező
A lánc alap felületi nyomását a 21. táblázatban szereplő adatok alapján interpolációval számítottam ki.
Láncsebesség v 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8
15 31,29 30,21 28,45 27,08 25,7
Lánckerék fogszáma, 17 19 21 31,78 31,98 32,47 30,41 30,41 31 28,94 29,33 29,63 27,76 28,15 28,45 26,59 27,08 27,57
23 32,47 31,49 29,92 29,04 27,96
25 32,86 31,89 30,51 29,72 28,55
21. táblázat
A lánc alap felületi nyomás értékei (részlet) [25] A súrlódást figyelembe vevő tényező értékét a 22. táblázat alapján határoztam meg.
20 40 80 160
1 0,69 0,83 1 1,24
Áttétel, i 2 3 0,8 0,87 0,93 1 1,12 1,19 1,38 1,45
5 0,98 1,09 1,27 1,53
7 1,04 1,15 1,32 1,57
22. táblázat
A súrlódást figyelembe vevő tényező értéke [25]
Így a megengedett nyomás értéke
A számítások alapján a felületi nyomás értékére megengedhető értéket adott, tehát a lánc erre megfelelt. Ellenőrzés a statikus biztonsági tényező értékére:
56
A statikus biztonsági tényező
A statikus biztonsági tényező minimális értéke a láncosztástól, valamint a kerületi sebességtől függ
A számítások alapján a lánc itt is megfelelt. 7.1.3. Lánckerék számítása Osztásszög:
Lánckerék osztókör átmérő:
Lábkör átmérő:
Ahol: a láncgörgő külső átmérője Fejkör átmérő:
A lánckerekeket egy tengelyen helyezem el, így minden második hajtott kerék reteszelve, minden második szabadon futó kerék pedig csúszógyűrűn lesz elhelyezve. A csúszógyűrű anyaga bronz, CuSn4. Ennek vékony falvastagsága miatt a furatmegmunkálása a lánckerékhez zsugorkötéssel való rögzítése után történik. A tengely irányú elmozdulás ellen rögzítő gyűrűkkel fogom meg, mivel ilyen irányú erő nem lép fel, ezért ez a rögzítés elegendőnek bizonyul.
57
7.1.4. A füles láncszem kiválasztása A láncgyártó cégek különböző láncfülekkel szerelik a láncokat. A legtöbb bármelyik szabványos láncra biztosít füles lánctagokat is. Az általam választott fül típusa WSK-2, amelyet a 39. ábra mutat. Méretei szabványban foglaltak szerint ugyanezen az ábrán láthatóak.
39. ábra
WSK-2-es típusú fül méretei [26] A láncszemhez a vágó-tépőkést hegesztéssel rögzítjük, a láncszem cserélhető, ezért a lehetséges kopás esetén a gép működése megoldott. 7.1.5. Tépő-, vágóelem: A tépő-vágókések hasonló kialakításúak, mint a forgalomban kapható láncfűrész láncok vágó éle. Annyi különbséggel, hogy ezeknél a fogaknál található a késen vezetőrész, nekünk erre nincs szükségünk. A kések ferde helyzetűek, hogy a darabolt anyagba könnyen belekapjon. Az él nem egyenes, mint a láncfűrészeknél, hanem ívelt élek, mivel itt szükséges a tépéshez, valamint a magával sodoráshoz ez a kialakítás. A vágóelemet a 40. ábra mutatja.
40. ábra
A tépő-vágóelem
58
Ezt a vágókést a füles láncszemre hegesztéssel rögzítjük, így ezek a láncszemmel együtt cserélhetőek csak. A vágóelem geometriai kialakítása után végeselemes módszerrel vizsgáltam meg, hogy a tépőerőre kapott erő hatására milyen feszültségek lépnek fel, valamint mekkora deformáció alakul ki. A szerkezet végeselemes vizsgálata során a modellt a lekerekítések és letörések elhagyásával vizsgáltam meg először, majd vizsgáltam a teljes modellt is. Az anyagmodellt az általános anyagtörvény alapján (uniform material law UML) alapján állítottam be. A geometria hálózásnál ügyeltem a megfelelő elemméretekre. TETRA 10-es elemeket használtam. A hálózást a két modellnél a 41. ábra mutatja.
41. ábra
A végeselem modell hálózása TETRA 10-es elemekkel A hálózás után az elem szabadságfokait úgy kötöttem le, hogy ez a beépítési környezetét mutassa, így a hegesztett felületet minden irányban lekötöttem. Az erőt az él felületére adtam rá mindkét esetben. Az erő értéke 4000N, amely a szakítóvizsgálat során meghatározott maximális érték. Ezt mutatja a 42. ábra.
42. ábra
A szabadságfokok lekötése és az erő
59
A számításokat lineáris anyagmodellt alkalmazva futtattam le, amely a következő eredményeket adta a deformációra, valamint a feszültségre.
43. ábra
A maximális elmozdulás értéke A maximális elmozdulás értéke mindkét esetben 0,012 mm-nek adódott. Ez a gép kialakítása szempontjából olyan kis érték, hogy a feladatnak ebből a szempontból megfelel. A feszültségeket is vizsgálva, arra a következtetésre jutottam, hogy a vágóelem alakja és kialakítása a feladatra megfelelt, mivel a fellépő feszültség jóval az anyagra jellemző kifáradási határérték (S235JR anyag esetén: 185 MPa) alatt van, így a károsodása nagyon kicsi. A mért feszültség maximális értéke 60 MPa körüli értékre adódott mindkét esetben. A 44. ábrán látható, hogy azonos skálát beállítva a két modellnél azonos feszültségek jöttek ki
44. ábra
A feszültségeloszlás a vágóelemen 60
A maximális érték a lekötött helyek határain jöttek ki, így ezek a valós értékek akár többszöröse is lehet. Ez az érték azonban jóval a kifáradási határérték alatt van, így megállapítható, hogy a vágóelem a feladatra megfelelt. 7.1.6. Láncvezető kiválasztása A lánc elhelyezkedése és a felülről érkező vágandó anyag súlya miatt a láncot meg kell vezetni. Ehhez választottam egy E profilú (könnyű csúszást biztosító speciális műanyag) vezetőt, valamint ehhez tartozó C15V típusú fém sínt. A DIN 2768 szabvány alapján az elrendezést a CTS típus szerint rendezem el. Ezt az elrendezést mutatja a 45. ábra.
45. ábra
CTS típusú elrendezésű láncvezető [26] 7.1.7. A lánc kenése és tisztítása A lánc tisztítása és kenése is kefés rendszerrel történik. A tisztító kefék, az asztallal egy síkban, az asztalhoz rögzítve vannak. A tisztításon kívül másik funkciója, hogy a darabolt anyag ne peregjen le az asztal és a lánckerekek között, így maradéktalanul az elvezető csatornába kerüljenek. A lánc kenése a darabolandó PET szennyezése miatt nehezebben megoldott. A kiválasztott méretű láncosztáshoz, valamint a kis fordulatszám miatt nem szükséges a láncokat folyamatosan kenni, ezért a láncok kenését is kefés módszerrel oldottam meg. A lánckenő kefe az asztal alatt, a szerkezeti vázhoz rögzítve van elhelyezve. A kefékhez a kenőolajat egy tartályból vezetjük, és a keféken keresztül csepeg a láncra. Az elhelyezkedés miatt, a darabolandó anyagot kevésbé szenynyezi, mivel a lánc forgása során a felesleges olaj a gravitáció miatt a láncvezető csatornáiban gyűlne fel és folyna le az asztal alá.
61
7.2.
Hajtómű kiválasztása
A motor és a lánckerék fordulatszáma közti áttételt megfelelő hajtómű kiválasztásával érem el, melyhez előzetes számításokat végzek. A kívánt sebesség értéke:
A kiszámított lánckerék átmérője alapján, a hajtott tengely fordulatszáma:
A kiválasztott motor fordulatszáma:
Ezekhez tartozó áttétel:
Az előzetes számítások alapján kb. 61,88 áttételű hajtóművet kell választanom. Az Agisys cég motorját választottam, így innen választok hajtóművet is. Ilyen nagy áttételt igen drága hajtóművekkel lehet biztosítani, esetleg frekvenciaváltóval is lehetséges. Én egy csigahajtóművet választok, a motoromhoz egy 60-as áttételt biztosító csigahajtóművet választok, amelynek típusa VF250-60, P180. Ennek adatai: Motor teljesítménye
Biztosított áttétel
Kimenő fordulatszám
Nyomaték
Biztonsági tényező
15
60
16,2
6380
0,8
Típusa
VF 250-60
P180
BN180L6
23. táblázat
A kiválasztott csigahajtómű műszaki adatai [24] A hajtóművet az előzetesen számolt áttételhez választottam, az ehhez tartozó biztosított nyomaték 6380 Nm, melyet le kell ellenőriznem, hogy a tervezett géphez ez elegendő-e.
62
A tépéshez szükséges erő, valamint a lánckerék középátmérője alapján, a szükséges nyomaték:
Az erőbe kalkulált előzetes biztonsági tényező alapján, valamint, hogy a szükséges nyomaték kisebb, mint a csigahajtómű által biztosított nyomaték, ezért a hajtómű a feladatnak megfelel. Az előzetesen számolt értékek nagyobb nyomatékokhoz tartozik, így ezek még az alkatrészek még mindig megfelelnek. A csigahajtómű főbb méreteit a 46. ábra tartalmazza.
46. ábra
A csigahajtómű fő méretei [24]
7.3.
Tengely méretezése
A tengelyen fellépő igénybevételek a csavarás, amely a hajtásból származik, valamint a hajlítás, amely a lánckerekek súlyából, valamint a lánckerekekre ható erőkből adódik. Így a tengelyt ezekre méretezem. A tengelyben ébredő feszültség értékének a megengedett feszültségnél kisebbnek kell lennie: A megengedett feszültségérték a tengely anyagától függ, számítási összefüggése: 63
Ahol:
a tengely anyagára jellemző folyáshatár A választott anyag: 16MnCr5 amelynek a minimális folyáshatára:
biztonsági tényező, melynek értékét
Így a megengedett feszültségérték:
A tengelyben ébredő feszültség számítási összefüggése:
Ahol:
a hajlításból származó feszültség
a csavarásból származó feszültség
Huber-Mises-Hencky összefüggés alapján
A csavarásból származó feszültség:
Ahol:
a csavaró nyomaték
poláris keresztmetszeti tényező
A hajlításból származó feszültség:
Ahol:
a hajlító nyomaték meghatározása közelítéssel
keresztmetszeti tényező
64
-ra választom
Határesetet vizsgálva, mikor: Az átmérő minimális értéke:
A tengelyen és a lánckerekek között reteszkötéssel visszük át a nyomatékot, amely gyengíti a tengelyt, ezért ennél az értéknél nagyobb értékűnek kell választani a tengely átmérőjét.
7.4.
Reteszek méretezése
A retesz méretezése felületi nyomásra történik, melynek alapösszefüggése: Ahol a megengedett felületi nyomás értéke:
az anyagra jellemző minimális folyáshatár A választott anyag: E360, amelynek a minimális folyáshatára:
biztonsági tényező, melynek értékét
A valós nyomás számítási összefüggése:
Határesetet vizsgálva, mikor:
65
-ra választom
A retesz minimális hossza:
Ahol:
a hajtásból származó nyomaték
a tengely átmérője
a retesz magassága
b
a retesz vastagsága
A DIN 6885 alapján a retesz magassága és vastagsága, a tengely átmérőjéhez kiválasztva:
Így a retesz hosszát, 115 mm-re kéne választanom, de én 2 db reteszt helyezek a tengelyre, így ezek hossza A beépített retesz méretei és illesztését mutatja a 47. ábra és a 24. táblázat.
47. ábra
A retesz méretei DIN 6885 szerint
Tengely átmérő d
90
A retesz magassága h
Retesz méretei A reA retesz tesz vastagsága hossza b l
h11
h9
14
25
Reteszhorony méretei Élletörés s x 45°
58
0,8
Tengelyben
Lekerekítés r1
t1
t2
N9
J9
9
5,4
24. táblázat
A retesz méretei (mm-ben értendőek)
66
Furatban
0,6
Csapágyak kiválasztása
7.5.
7.5.1. A csapágyak terheléseinek meghatározása A megfelelő csapágyak kiválasztásához előzetesen számításokat végzek a csapágy terheléseinek meghatározására. Az x irányú erők:
48. ábra
A tengely terhelései A B jelű csapágyra ható x irányú erő meghatározása az A pontra felírt nyomatéki egyenletből:
Ahol:
a lánckerék súlya
Az A jelű csapágy x irányú terhelését a B pontra felírt nyomatéki egyenletből szintén kiszámolom:
67
Az y irányú erőket is kiszámítva:
49. ábra
A tengely terhelései Az y irányú erők a lánchajtásból származnak, így csak a hajtott ezek csak a hajtott láncoknál lép fel. A B csapágy y irányú terhelését az A pontra felírt nyomatéki egyenletből határozom meg:
Ahol:
a lánchajtásból származó erő, melyet már meghatároztam az előző fejezetekben
Az A csapágy y irányú terhelését az B pontra felírt nyomatéki egyenletből határozom meg:
Az A csapágyra ható erő eredője:
A B csapágyra ható erő eredője:
68
7.5.2. A csapágyak kiválasztása és élettartamuk meghatározása Csapágyaknak beálló görgőscsapágyakat választok, hogy a hajtásból és a fellépő erőkből származó rezgéseket fel tudja venni. A csapágyak dinamikus egyenértékű terhelése, mivel nem lép fel axiális irányú terhelés:
A csapágy élettartama, 90%-os biztonságot feltételezve:
Ahol:
dinamikus alapterhelés [N]
élettartam kitevő, amely görgőscsapágyakra
Először kiszámolom a C dinamikus alapterhelést 20 000 h üzemórát feltételezve:
Ehhez az értékhez az SKF csapágykatalógusból kiválasztom a megfelelő csapágyat, amely a SKF 22220EK beálló görgőscsapágy. A választást a minimális tengelyméret meghatározása után egy 90 mm átmérőjű tengelyhez választottam. A csapágyak dinamikus alapterhelése közel háromszorosa az előzetesen meghatározottnak, azonban ehhez az átmérőhöz ennek a típusnak volt a legkisebb dinamikus alapterhelése, így ezt választottam. Mindkét (A és B jelű) csapágynak ezt a csapágyat választom. Egy tengelyen 2 csapágy, tehát összesen 4 ilyen csapágyra van szükség.
69
50. ábra
A kiválasztott SKF 22220 EK csapágy méretei [33] A csapágy dinamikus alapterhelése: Ehhez az értékhez a tényleges élettartamot visszaszámítom:
Ezt üzemórában megadva:
A csapágyhoz kiválasztottam a hozzá tartozó szorítóhüvelyt, biztosító anyát, körmös biztosítólemezt, valamint a házat is az SKF katalógusból. A megfelelő szorítóhüvely típusa H320, a biztosító anyáé KM20, a körmös biztosító lemezé MB20, amelyek méretei:
70
Szorítóhüvely:
H320
Körmös biztosító lemez:
MB20
Biztosító anya:
KM20 51. ábra
Csapágy tartozékok típusa és fő méretei [33] A csapágyházat is az SKF katalógusából választottam ki, melynek típusa: FSNL 520-617, amely fő méreteit a 52. ábra mutatja. A csapágyház tömege így: 17,6 kg.
71
52. ábra
A csapágyház jellemző méretei [33]
7.6.
Tengelykapcsoló kiválasztása
A hajtásból adódó rezgések és a tengely hibáinak kiküszöbölésére tengelykapcsolót építek be a motor után közvetlenül. A feladat ellátására flexibilis poliamid gyűrűs tengelykapcsolót választottam, amely rugalmas kapcsolatot biztosít a forgó alkatrészek között, ezáltal kiküszöböli a radiális-, axiális- és a szöghibákat, valamint elnyeli a rezgéseket. A tengelykapcsolót a Chiaravalli cég katalógusából választottam ki, melynek méreteit a 53. ábra tartalmazza.
53. ábra
A kiválasztott tengelykapcsoló méretei A rugalmas tengelykapcsoló két acél agyból áll, valamint egy műanyag hüvelyből, amely az nyomatékátvitelt biztosítja. Az acél agyak végükön fogazott résszel vannak ellátva, a poliamid gyűrű pedig belső fogazattal készül. A polimerekre jellemző önkenő tulajdonság miatt nem igényel külön kenést. 72
A tengelykapcsoló kiválasztásának alapjául a tengelykapcsolóra jellemző nyomatékot számítottam, melynek számítását a gyártó írja elő. A tengelykapcsoló méretezése a DIN 740 előírásai alapján történik.
Ahol:
motor névleges nyomaték
tengelykapcsoló névleges nyomaték
hőmérsékleti tényező, melynek értéke:
Így a tengelykapcsoló névleges nyomatéka: A TKN adat alapján a katalógusból a GF 48-as tengelykapcsolót választottam ki. A motor tengelycsonkjának méreteit figyelembe véve, a hosszabb kivitelű tengelykapcsolót választottam. Így az agyak tömege egyenként 3,21 kg, a poliamid gyűrűé pedig 0,198 kg. [34]
7.7.
Ház méretezése
A ház méretezését is az Ansys végeselem program segítségével végeztem el. A számításoknál több acéllemez vastagságot vizsgáltam, valamint kimerevített valamint nem kimerevített acélszerkezeteket. Az anyagmodellnél az általános anyagtörvények figyelembe vételével állítottam be az anyag jellemzőit. A befogadó garat végeselem modelljét készítettem el, hiszen a váznak ez a legjobban megterhelt része. Így ezt vizsgáltam különböző terhelések során. A befogadó garat háromdimenziós modellje látható a 54.ábrán. A garat száján a kivágások kialakításának oka, hogy így a targoncával a bálákat be lehet helyezni a munkatérbe és így nem esik olyan magasról a bála a munkaasztalra. A végeselem vizsgálat során ezt a garatot vizsgáltam.
73
54. ábra
A befogadó garat kialakítása A modell behálózása során ügyeltem a megfelelő elemméretre, valamint négyszögelemeket használtam. A hálózást az 55. ábra mutatja. A számításokat lefuttatva az 5 mm-es lemezvastagság volt a legmegfelelőbb ezen az ábrán jelzett kimerevítéssel. A számítások azt mutatják, hogy az 3 mm-es lemezvastagságnál az elmozdulások szintén elhanyagolható mértékűek, azonban a feszültség vizsgálatánál a kifáradási határérték közeli értékek adódtak, így ez bizonyos túlterhelés vagy folyamatos terhelés esetén károsodhat.
55. ábra
A garat végeselem modelljének hálózása
74
Az 5 mm-es lemezvastagságú modelljének futtatása után a deformációra 1 mm körüli értékeket kaptam, a feszültségértékek pedig jóval a garat anyagára jellemző kifáradási határérték alatt voltak, így ez az anyagvastagság a legmegfelelőbb a feladatra. Az 56. ábrán ábrázoltam a feszültségértékeket. Az érthetőség szempontjából a skálát módosítottam, hogy a feszültségeloszlás láthatóbb legyen, azonban a pirossal jelzett helyeken is a folyáshatár alatti értékek vannak. Az ábrával jelzett eredmények egy bizonyos terheléshez vonatkoznak, azonban vizsgáltam különböző helyeken és módokon terhelt modelleket is. Ezt az ábrát azért is emeltem ki, mert ez volt a legkritikusabb terhelés a vizsgálatok során.
56. ábra
A feszültségértékek 7 mm-es lemezvastagságnál, módosított skálával
Megjegyzendő, hogy ez további számításokra szorul, így további merevítéseket alkalmazva akár az 3 mm-es lemezvastagság is elegendő lenne. A ház további elemeinek végeselemes vizsgálatát nem tartottam fontosnak, mivel ezek nem kapnak nagymértékű terhelést a gép működése során.
75
8. A LÁNCOS BÁLABONTÓ MODELLJE A gép valamennyi alkatrészének számítása és kiválasztása után elkészítettem a szerkezet 3 dimenziós vázlatát, amelyet az 57. ábra mutat. A gép főbb részeit számozással jelöltem. A gépet a 4-es jelű motor hajtja meg, amely egy rugalmas tengelykapcsolón keresztül adja át a terhelést. Ezt a tengelykapcsolót burkolattal (5) vettem körül, hogy szabadon forgó, balesetet okozó alkatrész ne maradjon szabadon. A 7-es jelű hajtómű a motor fordulatszámát megfelelő fordulatszámra csökkenti, amely fordulatszámot előzetesen meghatároztam. A vágást, tépést biztosító láncok lánckerekei (1) egy tengelyen (3) vannak rögzítve. Minden második lánckerék hajtott, minden második szabadonfutó. Rögzítésük az előző fejezetben tárgyalt módon történik. A tengelyeket két-két helyen vannak csapágyazva (2). A gép munkaasztalán (6) a láncok láncvezetővel meg vannak vezetve.
57. ábra
A láncos bálabontó háromdimenziós modellje Figyelembe véve a viszonylag kis fordulatszámot, az érintkező vágókések darabszámát és méreteit, közelítő számításokat végezve a gép teljesítményére körülbelül 1000-1500 kg/h értéket kaptam. A piackutatás során vizsgált két- és négytengelyes darálók tudják ezt a teljesítményt biztosítani, azonban ez pontosabb teljesítmény-számítást igényel. Célom a tervezendő gép hatékonyságának növe-
76
lése nem túl nagy anyagi befektetés árán. A tervezendő gép méretei és tömege alapján további célom a gép súlycsökkentése és optimalizálása, amely nagymértékben csökkentené az anyagköltséget is. A dolgozatban tervezett gép méretezése során etalonnak vett tépőerő szélsőségesen nagy értéke alapján megállapítható, hogy a szerkezet alkalmas más szelektíven gyűjtött és újrahasznosításra kerülő szelektív hulladékok, mint például keményebb műanyag termékek (hordók, kannák), és akár vékony falvastagságú fém hulladék (üdítős fémdobozok) aprítására is. Jövőbeli célom ezt külön számításokkal és vizsgálatokkal alátámasztani.
77
9. ÖSSZEGZÉS A polimertechnika és az újrahasznosítás alapjait megismerve, majd piac-, irodalom- és szabadalomkutatást végezve felállítottam egy új gép vázlatát. Az új gép tervezésének ötletéhez a jelenleg ismert gépek működését vizsgáltam, továbbá megismertem előnyeiket, hátrányaikat. Több gép ötletével foglalkozva, a módszeres géptervezés alapján, kiválasztottam ezek közül a feladatra legmegfelelőbb megoldásváltozatot. A gép méreteinek és tulajdonságainak meghatározásához méréseket folytattam, amelyet a Gép- és Terméktervezési Intézet egyik mérőberendezésének átalakításával végeztem, valamint az Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet műhelyében a műanyag palackszájak szakítóvizsgálatait készítettem el. A mérésekből levont következtetések és számszerű adatok alapján számításokat végeztem a kiválasztott megoldásváltozat méreteinek meghatározására. Ehhez a géphez megfelelő motort, hajtóművet is választottam. A gép alkatrészeinek méretezéséhez és kiválasztásához számításokat végeztem. A numerikus számításokon kívül a gép tépő-vágóelemeinek, valamint a gép burkolatának végeselemes vizsgálatát az Ansys program segítségével modelleztem és számítottam. Az alkatrészek méreteinek meghatározása után a gép 3 dimenziós modelljét a Solid Edge szoftver segítségével, majd az összeállítási rajzát, valamint az alkatrészrajzokat az AutoCAD szoftverben készítettem el.
78
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretnék köszönetet mondani mindenekelőtt a témavezetőmnek, Jálics Károly c. egyetemi docensnek, valamint konzulensemnek, Dr. Döbröczöni Ádám professor emeritusnak, akik a szakértelmükkel és a tanácsaikkal sokban elősegítették munkámat, ezzel ennek a dolgozatnak a megszületését, továbbá Potyka Attilának a Miskolci Egyetem Gép- és Terméktervezési Intézet ügyvivő szakértőjének és műhelyvezetőjének, aki a méréshez szükséges a vágókést a befogószerkezettel elkészítette. Az elvégzett szakítóvizsgálatokért szeretnék köszönetet mondani Dr. Kovács Péter Zoltán egyetemi adjunktusnak, az Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet munkatársának. Köszönet
illeti
továbbá
Nagy
Sándort
a
Miskolci
Egyetem
Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet tanszéki mérnökét, aki rendelkezésemre bocsátotta munkáit és tanulmányait.
79
IRODALOMJEGYZÉK [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]
[16]
[17] [18] [19] [20]
www.hulladekudvar.hu/cikkek/20130309/a_hulladek_vazlatos_tortenete_az _okortol_napjainkig (letöltés ideje: 2016.03.02.) www.biokom.hu, Biokom Nonprofit kft. gondozásában (letöltés ideje: 2016.03.02.) www.fkf.hu, Fővárosi Közterület-fenntartó Nonprofit Zrt. gondozásában (letöltés ideje: 2016.03.03.) www.okopannon.hu, ÖKO-Pannon Nonprofit Kft. gondozásában (letöltés ideje: 2016.03.03.) www.palackpres.hu, GIGATEL kft. gondozásában (letöltés ideje:2016.03.03.) http://kornyezetbarat.hulladekboltermek.hu/hulladek/hulladekfajtak/muanya ghulladek/ (letöltés ideje: 2016.03.03.) Czvikovszky Tibor – Nagy Péter – Gaál János: A polimertechnika alapjai, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2000 www.holofon.hu/technologia Holofon Plastic Recycling Zrt. gondozásában (letöltés ideje: 2016.03.03.) Nagy Sándor: Hulladék biomassza aprítása, tanszéki mérnök, ME Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet http://daralok.hu/ Ecotech Kft. gondozásában (letöltés ideje: 2016.03.12.) http://www.shini.hu/ SHINI Plastic Technologiesés és az Extremplast Bt gondozásában (letöltés ideje: 2016.03.12.) http://epub.hpo.hu/e-kutatas/?lang=HU, 5077/87 szám szabadalom (letöltés ideje: 2016.03.20.) http://epub.hpo.hu/e-kutatas/?lang=HU, BO-1408 szám szabadalom (letöltés ideje: 2016.03.20.) https://patents.google.com/patent/EP2226168A1/en?q=plastic&q=shredding &q=unit, EP2226168A1 sz. szabadalom (letöltés ideje:2016.03.24.) Balogh András – Schäffer József – Tisza Miklós: Mechanikai Technológiák, HEFOP-3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 SZ., elektronikus jegyzet, Miskolc, 2007 (ftp://witch.pmmf.hu:2001/Tanszeki_anyagok/Gepszerkezettan%20Tansze k/Vonoczky_Andras/MechanikaiTechnologiak_jegyzet%5B1%5D.pdf) (letöltés ideje: 2016.04.02.) http://web.unimiskolc.hu/gepelemek/tantargyaink/001b_gepeszmernoki_alapismere tek/1.meres-mozgosurlodas_segedlet.pdf, Miskolci Egyetem, Gép- és Terméktervezési Intézet, Gépészmérnöki alapismeretek c. tárgy oktatási segédlete (letöltés ideje: 2016.04.02.) http://hoszigetelo-rendszer.hu/wp-content/themes/shopperpress/thumbs/ Depositphotos_1774784_M.jpg (letöltés ideje: 2016.04.04.) http://www.orwak.hu/termekeink/orwak-5010-e-kisokos-egykamrasfelultoltos-balazogep/ (letöltés ideje: 2016.10.30.) http://bestmachinery.hu/ (letöltés ideje: 2016.10.30.) Kamondi L. - Takács, Á.: Objektum semleges géptervezés. Szakmérnöki jegyzet. (Társszerző: Takács Ágnes). Készült: „A felsőoktatás szerkezeti 80
[21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29]
[30] [31]
[32] [33] [34]
és tartalmi fejlesztése” CAD/CAM/FEM kompetencia kurzusok projekt keretében (HEFOP-3.8-P-2004-06-0012). Miskolc, 2006. Bánhegyi György: Poli(etilén-tereftalát) (PET) jrafeldolgozása a tulajdonságok javításával (Modern Plastics International, 34. k. 3. sz 2004. p. 69.) S. Leineweber: Plastics – Thermoplast and rubber: basic information, ZF Friedrichshafen AG, 2016 Hargitai Hajnalka: Anyagvizsgálat/ Polimerek anyagvizsgálata, egyetemi jegyzet Széchenyi István Egyetem, Győr, 2012 http://agisys.hu motor- és hajtóműkatalógusok (letöltés ideje: 2016.11.02.) Benyó Klára: Rugalmas hajtás segédlet, Miskolci Egyetem, Gép- és Terméktervezési Intézet, 2014 (lánchajtás számítási segédlet) http://www.powerbelt.hu/ lánc-, lánckerék-, láncvezető-, füles lánc katalógusok (letöltés ideje: 2016.10.15.) Gotovcev, A. A. – Kotenok, I.P.: Lánchajtások, Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1987 Czél György – Kollár Mariann: Anyagvizsgálati praktikum, Sunplant Kiadó, 2008 Bihari Zoltán – Szente József: Számítógépes terméktervezés. Szakmérnöki jegyzet. Készült „A felsőoktatás szerkezeti és tartalmi fejlesztése” CAD/CAM/FEM kompetencia kurzusok projekt keretében. 2006. p. 193. A.K. van der Vegt: From polimers to plastic, Netherland, 2002 Nagy Piroska Mária: Viszkoelasztikus szerkezeti polimerek tömbi és felületi mechanikai tulajdonságainak vizsgálata benyomódási méréstechnikával, doktori értekezés, ELTE, Bp., 2007 L. H. Sperling – (Leslie Howard): Instoduction of physical polimer science, Canada, Lehigh University, 2006 www.skf.hu Csapágykatalógus (letöltés ideje: 2016.10.02.) http://www.tech-con.hu/ (letöltés ideje: 2016.11.10.)
81
