На правах рукописи

Аспирант Байбара Светлана Николаевна

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОДНОЗАХОДНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ШНЕКОВОГО КОНВЕЙЕРА

С ДВУХЛОПАСТНОЙ ЗАГРУЗКОЙ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(коммунальное хозяйство и сфера услуг)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Шахты - 2008

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования УЮжно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС).

Защита состоится л___ декабря 2008 г. в ___00 часов на заседании диссертационного совета Д212.313.01 при Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса по адресу: 346500, г. Шахты Ростовской области, ул. Шевченко, 147, ауд. 247.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

Текст автореферата размещен на сайте ЮРГУЭС: www.sssu.ru

Автореферат разослан: л21 ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Куренова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Шнековые (винтовые) конвейеры применяются для транспортирования пылевидных, порошкообразных, мелкокусковых насыпных и других грузов. По виду трассы эти конвейеры могут быть горизонтальными, наклонными и вертикальными. Возможно сочетание вертикального и горизонтального конвейеров, наклонного и горизонтального конвейеров и др.

Простота конструкции и сравнительно невысокая стоимость, малая трудоемкость работ по их изготовлению, возможность транспортирования грузов без потерь и без загрязнения окружающей среды, обеспечение безопасных условий труда - все это обусловило широкое применение шнековых конвейеров во многих областях промышленности, в сельском хозяйстве, на предприятиях сервиса и коммунального хозяйства. Шнековые конвейеры могут быть также составной частью комплектов оборудования, предназначенных для выполнения определенных технологических процессов.

К настоящему времени известно достаточно большое число научных публикаций по исследованию шнековых конвейеров, в которых приводятся рекомендации по выбору основных параметров шнека, таких как шаг навивки спирали, соотношение диаметров шнека и его сердечника, и обоснованию режимов его работы. Однако основными недостатками шнековых конвейеров по прежнему остаются сравнительно низкая производительность и высокая энергоемкость транспортирования. В первую очередь эти недостатки относятся к вертикальным шнековым конвейерам.

Анализ литературных источников показал, что практически отсутствуют публикации по изучению процесса загрузки вертикального шнекового конвейера, а именно эти процессы, оказывают значительное влияние на производительность и энергоемкость транспортирования. Так, если транспортируемый материал удаляется из зоны загрузки неэффективно, происходит его избыточное накопление, что может привести к остановке конвейера. Если материал поступает в зону загрузки в недостаточном количестве, конвейер работает вхолостую. Поэтому исследование процесса загрузки вертикального шнекового конвейера является актуальной задачей.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности транспортирования материала вертикальным шнековым конвейером. Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

• анализ условий применения шнековых конвейеров в коммунальном хозяйстве, на предприятиях сервиса и легкой промышленности, изучение их конструкций и требований, предъявляемых к шнековым конвейерам;
• изучение результатов научных исследований вертикального шнекового конвейера, определение направлений их дальнейшего развития;
• исследование механизма взаимодействия транспортируемого материала со спиралью (лопастью) шнека, установление оптимальных значений угла подъема спирали и частоты вращения вертикального шнека;
• исследование влияния угла наклона спирали относительно сердечника шнека на его транспортирующие качества, обоснование рационального диапазона этого угла; установление теоретической зависимости для определения критической частоты вращения вертикального шнека;
• исследование условий загрузки вертикального шнекового конвейера транспортируемым материалом, разработка усовершенствованной конструкции шнека;
• исследование процесса перемещения транспортируемого материала из загрузочного устройства на лопасть шнека, определение условий эффективной подачи материала на шнек.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовался экспериментально-аналитический метод исследований, позволяющий получить результаты, адекватные действии-тельности. При этом реализованы методы планирования эксперимента, математического моделирования, поискового конструирования. Проводились стендовые испытания экспериментальных образцов.

Научная новизна:

• теоретически установлено влияние угла наклона спирали относительно сердечника шнека на его транспортирующую способность, доказано, что если спираль установлена под углом 10-15 вниз по отношению к сердечнику вертикального шнека, его производительность повышается на 48-50 %;
• получена теоретическая зависимость, позволяющая определять критическую частоту вращения вертикального шнека, спираль которого установлена под углом вниз по отношению к сердечнику;
• теоретически доказана необходимость установки в нижней части вертикального однозаходного шнека короткого наконечника с двумя лопастями, причем одна из них должна быть укорочена по отношению ко второй;
• аналитически обоснована конструкция загрузочного устройства, обеспечивающего эффективное поступление материала в зону загрузки вертикального шнекового конвейера.

Практическая ценность:

• по результатам исследований разработана оригинальная конструкция вертикального шнекового конвейера, защищенная патентом РФ;
• разработан, изготовлен и успешно испытан в лабораторных условиях опытный образец вертикального шнекового конвейера, который может быть использован в качестве прототипа при проектировании аналогичных конвейеров для различных условий применения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается одобренными научной общественностью результатами теоретических и экспериментальных исследований, созданием усовершенствованной конструкции вертикального шнекового конвейера, положительными результатами его испытаний.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно- технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2004-2008 гг.), на IV международной научно-практической конференции Моделирование. Теория, методы и средства (г. Новочеркасск, 2006 г.), на научной конференции МГУ ДТ (г. Москва, 2004 г.). Опытный образец шнекового конвейера был представлен на Всероссийской выставке-ярмарке в г. Новочеркасске в 2005 г.

Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры Прикладная механика и конструирование машин ЮРГУЭС с участием ведущих преподавателей кафедр Машины и аппараты бытового назначения, Математика, Текстильное производство.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 работ, в том числе патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 142 страницы машинописного текста, 52 рисунка, 10 таблиц и список литературных источников из 114 наименований.

Диссертация выполнена на кафедре Прикладная механика и конструирование машин Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены области применения шнековых конвейеров различного назначения, в том числе на предприятиях сервиса и коммунального хозяйства. Приведены материалы, описывающие конструкции шнеков и шнековых конвейеров, а также способы их изготовления. Выполнен анализ опубликованных работ по исследованию шнековых конвейеров.

Установлено, что многообразие конструкций шнековых транспортирующих механизмов, а также их основных геометрических и конструктивных параметров обусловлено широким ассортиментом перемещаемых материалов, имеющих различные физико-механические свойства. Спектр транспортируемых материалов настолько широк, что механика и кинематика движения различных материалов при взаимодействии с рабочими органами шнековых конвейеров может быть описана различными теориями.

Значительное количество исследований как отечественных, так и зарубежных авторов, посвящено изучению процесса транспортирования сыпучих материалов вертикальным шнековым конвейером. К ним можно отнести работы Л.М. Александра, Д.Н. Башкатова, А.М. Григорьева, Е.М. Гутьяра, Б.А. Катанова, В.И. Мурашова, В.А. Евстратова, U. Rimann, W. Suhadi, J.D. Parsons и др.

Во многих работах транспортируемый материал рассматривается в виде одной материальной точки, перемещающейся по винтовой поверхности спирали шнека. Такой подход можно считать обоснованным, так как процессы транспортирования объемов сыпучих материалов еще недостаточно изучены, хотя некоторые работы в этом направлении известны.

Несмотря на большое количество публикаций по транспортированию материалов вертикальным шнековым конвейером, в них практически не рассматривались процессы перемещения груза из загрузочного устройства на лопасть шнека, хотя процессы, происходящие в этой зоне, оказывают существенное влияние на эффективность работы шнекового конвейера. При неудачной конструкции загрузочного устройства вращающийся шнек может не захватывать материал, а выбрасывать его, что несомненно скажется на производительности и энергоемкости транспортирования. Из этого следует, что процессы загрузки шнекового конвейера, захвата и перемещения материала шнеком в зоне загрузки требуют дальнейшего изучения.

Во второй главе выполнены аналитические исследования процесса захвата и перемещения материала вертикальным шнековым конвейером в зоне загрузки. При этом в теоретическом плане были рассмотрены следующие вопросы: влияние угла наклона спирали относительно сердечника шнека на усилие прижатия частицы материала к кожуху, критическая частота вращения шнека, захват материала шнеком в зоне загрузки, влияние площади загрузочных окон в кожухе шнекового конвейера на его производительность, определение угла наклона боковой стенки бункера в зоне загрузки вертикального шнекового конвейера.

Из физической сущности процесса перемещения частицы материала по спирали шнека следует, что с увеличением угла подъема спирали растут и силы сопротивления движению частицы.

Рисунок 1- Схема сил, действующих на частицу материала вдоль спирали

Из схемы сил, действующих на частицу материала вдоль спирали (рис. 1), следует, что силой, которая способствует перемещению частицы материала вверх по спирали является сила трения частицы о кожух, а препятствуют перемещению частицы сила трения о шнек и составляющая силы веса частицы. Разность между первой силой и суммой двух вторых позволяет определить силу, движущую частицу материала по спирали вверх:

, (1)

где - угловая скорость и радиус шнека; - угол подъема спирали; - коэффициенты трения материала о кожух и шнек.

Анализ изменений интенсив-ности движущей силы в зависимости от угла подъема спирали показал, что этот параметр является переменной величиной: наименьшая интенсивность имеет место в диапазоне, а начиная с интенсивность увеличивается практически пропорционально углу подъема спирали (рис. 2).

Исходя из этого анализа, можно заключить, что с целью обеспечения максимальной производительности шнека, угол подъема спирали должен быть не менее.

При изучении влияния угла наклона спирали на усилие прижатия частицы материала к кожуху было установлено, что ее величина зависит от центробежной силы, силы веса частицы материала G и силы трения частицы материала о шнек (рис. 3).

На основе анализа схемы сил, действующих на частицу материала поперек спирали получена зависимость для расчета усилия прижатия частицы к шнеку:

, (2)

где - угол наклона спирали по отношению к сердечнику шнека.

Расчеты по выражению (2) показали, что если спираль наклонена от сердечника к периферии шнека, прирост усилия прижатия частицы материала к кожуху по сравнению с вариантом, когда спираль в поперечном сечении шнека горизонтальна, составляет 5-38% в зависимости от частоты вращения шнека.

Рисунок 3 - Схема сил, действующих на частицу

материала на наклонной спирали

Выражение (2) позволяет аналитически определить зависимость угла от коэффициента трения материала о шнек.

Так как первое слагаемое в этой формуле практически не зависит от угла в принятом диапазоне 5-20, прирост усилия прижатия частицы материала к кожуху будет равен нулю, если. Отсюда

(3)

Поскольку при изготовлении шнека рабочую поверхность спирали тщательно обрабатывают, коэффициент трения материала о спираль, как правило, составляет 0,2-0,3. Отсюда, рекомендуемый угол наклона спирали относительно сердечника шнека равен 10-15.

Под критической понимается такая частота вращения вертикального шнека, при которой транспортирование материала не происходит. Ниже приведено одно из выражений для ее расчета применительно к шнековому конвейеру типовой конструкции:

(4)