CC BY
101
УДК 622.647.4(043.3)
Д.М. Кобылянский
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛА ВИНТОВЫМ КОНВЕЙЕРОМ
Несмотря на большое количество работ по винтовым транспортёрам и питателям, применяемым в различных областях промышленности и сельского хозяйства, а также работ, посвящённых шнековому бурению скважин на шахтах и разрезах, в настоящее время существует определённый пробел в области теории и экспериментальных исследований высокопроизводительных винтовых конвейеров, предназначенных для транспортирования материалов с различными физикомеханическими свойствами (вязкостью, влажностью) и кусковатостью до 150 мм при различных углах наклона [1].
Автором выполнены экспериментальные исследования процесса транспортирования различных насыпных материалов винтовым конвейером. Для обоснования конструктивно-кинематических и режимных параметров винтового конвейера выбран экспериментальный метод моделирования с использованием эквивалентных материалов, в частности, деревянных параллелепипедов, как наиболее эффективный для познания закономерностей, определяющих функциональные параметры винтового конвейера.
Экспериментальные исследования процесса транспортирования материалов винтовым конвейером проводились с целью создания эффективной и надёжной его конструкции.
В соответствии с постановленной целью были определены следующие основные задачи экспе-
риментальных исследований:
1. Установление закономерностей процесса транспортирования винтовым конвейером при различных режимах его работы и свойствах транспортируемых материалов.
2. Изучение влияния шнеков переменного шага на транспортирующую способность винтового конвейера.
3. Обоснование эффективности и определение характеристик режима вибровозбуждения винтового конвейера.
4. Определение оптимальных конструктивных и режимных параметров для транспортирования с минимальными затратами энергии.
Для выполнения экспериментальных исследований использовался комплекс оборудования, состоящий из двух стендов со сменными шнеками и измерительно-регистрирующей аппаратуры. Разработанное оборудование позволяет изменять в широком диапазоне исследуемые параметры, а используемая аппаратура дает возможность регистрировать необходимые показатели, характеризующие работу исследуемого устройства. На рис. 1 представлен один из стендов с прозрачным корпусом.
Датчики, применяемые для исследования процессов, происходящих в горно-транспортных машинах, имеют аналоговые выходные сигналы, которые обработать непосредственно в компьютере невозможно. Предварительно выходные сигна-
Рис. 1. Экспериментальный стенд с прозрачным корпусом
а
б
Рис. 2. Двухфакторные зависимости максимальной производительности от скорости вращения и шага винта: а - 8=10°; б - 8=20°
лы датчиков необходимо подвергнуть аналогоцифровому преобразованию и представить их в цифровом виде.
В результате работы аналого-цифрового преобразователя (плата АЦП фирмы 81ЬЛР8) аналоговый сигнал - непрерывная функция времени -заменяется на ступенчатую функцию. Для проведения исследования разработана оригинальная измерительно-регистрирующая система ИРС-1 [2].
Взаимодействие ИРС-1 с компьютером обеспечивается программой, которая позволяет получать информацию на экране монитора и распечатывать на принтере как в цифровом табличном виде, так и в виде графиков и гистограмм. Это позволяет резко повысить информативность измерительной системы путём обработки полученных данных на ЭВМ по специально составленным программам.
В представленной серии экспериментов в качестве транспортируемого материала использовалась масса деревянных параллелепипедов размерами 5-17мм плотностью в насыпке 210кг/м3. Данный материал позволяет выявить в чистом виде закономерности процесса винтового транспортирования, исключая погрешности, вносимые пылевыми фракциями, неравномерной влажностью, кусковатостью и т. п.
В настоящей работе в число основных режим-
ных параметров введена «максимальная производительность» 0мах, смысл которой заключается в следующем.
Экспериментально определяется производительность винтового конвейера с максимально возможным в данных конкретных условиях коэффициентом заполнения (как правило, ^ не более
0,5-0,7) таким образом, чтобы величина циркуляции не превышала 50%.
При большем значении циркуляции ввиду повышенной энергоёмкости режим транспортирования считаем нерациональным. Определённая описанным выше способом производительность и составляет мах.
Двухфакторные зависимости 0мах=:Т(8,п) при различных значениях угла наклона 5 и коэффициента заполнения шнека ^ получены на основе анализа графиков зависимостей 0=Г(п), которые ввиду малой информативности в работе не приводятся.
В качестве примеров на рис. 2 приведены два графика двухфакторных зависимостей
Омах =Г(Б,п). Из полученных результатов следует, что производительность винтового конвейера растёт с увеличением частоты вращения п и шага винта 8 во всех опытах.
Вместе с тем, визуальные наблюдения за про-
а
б
Рис. 3. Двухфакторные зависимости угла отклонения материала от частоты вращения и шага винта: а - 8=10°; б - 8=20°
цессом транспортирования, а также видеосъёмка, показали, что увеличение коэффициента заполнения шнека у более 0,5 не приводит к заметному увеличению производительности модели винтового конвейера из-за сильного переброса (циркуляции) материала через вал шнека. Круговое вращение наблюдается при частоте вращения винта п более 100-120мин-1 и угле наклона перегружателя
5 более 10°. Причём особенно сильный переброс возникает при транспортировании шнеком, имеющим шаг 95мм.
Вброс в основную массу загрузочного материала отдельных «меченых» частиц наглядно демонстрирует, как с увеличением трёх названных выше параметров возникает и развивается циркуляция материала. В круговое движение вовлекается значительная его часть, и уменьшается осевая скорость перемещения.
Представляет интерес изменение угла отклонения частиц материала от вертикали 0 при различных режимах транспортирования. На рис. 3 представлены графики двухфакторных зависимостей 0=:Т(8,п) при 5=100 и 200.
В случаях, когда угол 0 превышает 900, частицы материала отрываются от поверхности корпуса, происходит интенсивное их перемешивание и циркуляция. При частотах вращения шнека п более 150мин-1 прекращается заметный рост производительности из-за вовлечения значительной
части транспортируемого материала в круговое движение.
Наряду со шнеками фиксированного шага был испытан шнек, у которого шаг плавно возрастал от 60мм в месте загрузки до 110мм в конце транспортирования. Каких-либо преимуществ по сравнению со шнеками фиксированного шага выявлено не было.
При частоте вращения менее 120мин-1 и углах наклона 5 в пределах 0-50 коэффициент заполнения шнека у уменьшается по длине шнека пропорционально изменению его шага (см. рис. 4,а). Осевая скорость перемещения материала увеличивается в той же пропорции. При этом масса материала, проходящего в различных сечениях винтового конвейера в единицу времени остаётся постоянной. Таким образом, производительность шнека с переменным шагом соответствует производительности шнека фиксированного шага 8=60мм.
Картина меняется при повышении частоты вращения шнека более 120мин-1 и увеличении угла наклона винтового конвейера до 200 (см. рис. 4,б).
Коэффициент циркуляции Кц растёт по длине винтового конвейера, что приводит к увеличению коэффициента заполнения шнека (по сравнению с графиком на рис. 4,а) и уменьшению средней осевой скорости частиц материала.
а
О, У,м/с ¥
кг/мин
б
кг/мин Кц У,м/с у/
Рис. 4. Графики изменения параметров по длине шнека с переменным шагом: а - 8=0-50; б - 8=200
Таким образом, можно сделать вывод, что использование шнека переменного шага в диапазоне его изменения от 60 до 110 мм нерационально.
Выполнены исследования влияния вибровозбуждения элементов винтового конвейера на эффективность транспортирования. Известно, что применение вибрации, как правило, приводит к значительной интенсификации процессов и повышению качественных показателей различных устройств. Вибрационные машины и технологические процессы в настоящее время используются практически во всех отраслях промышленности.
В результате анализа существующих конструкций вибраторов винтовых конвейеров автором
разработана новая конструкция вибровозбудителя.
На «Винтовой конвейер», оснащённый указанным вибровозбудителем, получен патент РФ №2312807 [3]. В запатентованном «Винтовом конвейере» вибрация вала шнека вызывается перекатыванием его опор, имеющих некруглую форму (овальную, волнистую и др.) по неподвижным роликам [4].
Эксперименты с вибровозбуждением винтового конвейера выявили во всех случаях уменьшение циркуляции транспортируемого материала, что увеличивает производительность винтового конвейера.
Q.K^MWH
™ № УО 120 150 tso
Рис. 5. Графики зависимостей производительности от скорости вращения шнека с вибрацией (пунктирные линии) и без вибрации (сплошные линии)
Рис. 6. Графики зависимостей угла отклонения материала от скорости вращения шнека с вибрацией (пунктирные линии) и без вибрации (сплошные линии)
Этот эффект особенно заметен при повышенной частоте вращения шнека (более 100мин-1), значениях шага шнека более 75мм, углах наклона винтового конвейера более 100 и коэффициентах заполнения шнека более 0,3.
В качестве примеров на рис. 5 и рис. 6 приведены графики зависимостей производительности Q и угла отклонения 0 от частоты вращения п с вибрацией шнека (пунктирные линии) и без виб-
рации (сплошные линии).
Как видно из графиков, вибровозбуждение позволяет увеличить производительность в среднем на 10-13% при частоте вращения шнека более 90мин-1. Угол отклонения материала 0 при вибрации уменьшается на 10-150.
Как показали исследования, рациональные значения амплитуды и частоты вибрации составили соответственно 2мм и 10Гц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горбунов, В. Ф. Обзор современного состояния теории транспортирования горной массы винтовыми конвейерами / В. Ф. Горбунов, Д. М. Кобылянский // Вестн. РАЕН (ЗСО). - 2006. - №8. - С. 171177.
2. Кобылянский, Д. М. Измерительно-регистрирующая аппаратура для исследования винтового перегружателя проходческого комбайна/Д. М. Кобылянский // Материалы 52 и 53 науч.-практ. конф., 2008 г./ ГУ КузГТУ. - Кемерово, 2008. - С. 57-63.
3. Пат. 2312807 Российская федерация, МПК7 В 65 в 33/08. Винтовой конвейер/Кобылянский Д.М., Горбунов В.Ф.; заявитель и патентообладатель ГУ Кузбас. гос. техн. ун-т. - №2006110126/11; заявл. 29.03.06; опубл. 20.12.07, Бюл. 35. - 7с.: ил.
4. Гоголин, В. А. Геометрия и кинематика тел при движении по роликам / В. А. Гоголин, М. Т. Кобылянский, В. Ф. Горбунов, Д. М. Кобылянский //Вестник КузГТУ. - 2006. - №4. - С. 3-5.
□ Автор статьи
Кобылянский Дмитрий Михайлович, канд.техн.наук, доцент каф. «Стационарные и транспортные машины» КузГТУ, email: [email protected]
