Обґрунтування параметрів навантаження і конструкцій гвинтових конвеєрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

УДК 621.867.42.001

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ НАВАНТАЖЕННЯ І КОНСТРУКЦІЙ ГВИНТОВИХ КОНВЕЄРІВ

05.05.05 - піднімально-транспортні машини

РОГАТИНСЬКА ОЛЕНА РОМАНІВНА

Тернопіль - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Ловейкін В'ячеслав Сергійович, доктор технічних наук, професор, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри основ професійного навчання.

Офіційні опоненти:

Гевко Роман Богданович, доктор технічних наук, професор, Тернопільський державний економічний університет, завідувач кафедрою інженерного менеджменту, декан факультету аграрної економіки і менеджменту;

Ярошенко Володимир Федорович, кандидат технічних наук, доцент, Національний аграрний університет, доцент кафедри конструювання машин.

Провідна установа:

Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра підйомно-транспортного та робототехнічного обладнання, м. Одеса.

Захист відбудеться "16" березня 2006 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56, навчальний корпус №2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56, навчальний корпус №2.

Автореферат розісланий "13" лютого 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 канд. техн. наук, доцент Л.М. Данильченко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гвинтові конвеєри (ГК) широко використовуються в різних галузях промисловості для переміщення сипких, кускових, в'язко-пластичних та інших матеріалів і сумішей. Вони характеризуються простотою конструкції, зручністю в користуванні та високою надійністю в роботі. Важливим є те, що вони мають можливість поєднання функції транспортування із рядом технологічних операцій у відповідних транспортно-технологічних системах. За принципом транспортування ГК поділяють на тихохідні та швидкохідні, відповідно з лише осьовим транспортуванням сипкого вантажу та переміщенням його за гвинтовою траєкторією. В проміжку між цими режимами роботи в діапазоні кутових швидкостей від 15 рад/с до 40 рад/с спостерігається зона нестабільного транспортування, в якій горизонтальне транспортування здійснюється із значним перемішуванням вантажу, яке призводить до додаткових енергетичних витрат.

Зумовленість параметрів потоку сипкого вантажу складною залежністю від кутової швидкості робочого органу гвинтового конвеєра є причиною того, що процеси транспортування та навантаження мають ряд особливостей, які ще вивчені недостатньо. Особливо це стосується швидкохідних, в т.ч. вертикальних ГК, технічні характеристики яких, зокрема енергоємність, можна покращити шляхом вибору раціональних режимів роботи конвеєрів та їхніх параметрів. На теперішній час рекомендації, викладені в галузевих стандартах та інших нормативних матеріалах не в повній мірі враховують конкретні умови експлуатації, а існуючі методики розрахунку швидкохідних конвеєрів, які б враховували такі умови, є достатньо громіздкими та не забезпечують вибір оптимальних параметрів.

Тому, питання зменшення питомої енергоємності швидкохідних ГК, підвищення стабільності процесу транспортування та забезпечення їх оптимального навантаженням є актуальним та доцільним з огляду розширення сфери використання ГК у виробничих процесах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до координаційного плану науково-дослідних робіт ВЗО України за 2001-2005 рр., в т. ч. в рамках виконання дербюджетних тем "Моделювання технологічних процесів та транспортних систем сільськогосподарських машин" і "Розробка наукових основ та теорії змішування та розділення багатокомпонентних сипких сумішей на основі елементної взаємодії твердих частинок" (номера держреєстрацій 0199U003997 та 0102U002299).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є мінімізація енерговитрат гвинтових конвеєрів і підвищення стабільності транспортування сипких вантажів шляхом раціонального їх навантаження та вибору оптимальних режимів роботи й конструктивних параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- провести аналіз існуючих досліджень та результатів практичного використання роботи ГК, а також встановити основні особливості їх роботи;

- розробити моделі руху зв'язних частинок, відокремленого шару, пошарового руху та уточнити модель потоку під час гвинтового транспортування вантажу ГК;

- встановити основні критерії подібності транспортування потоком у швидкохідних ГК; вивести аналітичні залежності, що описують взаємодію робочих органів швидкохідних ГК із сипким вантажем та вплив їх основних параметрів на процес транспортування;

- підтвердити встановлені закономірності та уточнити параметри моделей засобами імітаційного моделювання та експериментальними дослідженнями;

- дослідити можливість керуючих впливів на процес транспортування вантажу, поставити та реалізувати задачу пошуку оптимальних режимів транспортування;

- розробити методику інженерного проектування швидкохідних ГК із раціональними параметрами за енергоємністю та підвищеною стабільністю роботи, а також відповідні конструктивні і технологічні рішення.

Об'єкт дослідження - процеси транспортування сипкого вантажу гвинтовими конвеєрами. параметр навантаження гвинтовий конвеєр

Предмет дослідження - взаємодія робочих органів швидкохідних гвинтових конвеєрів із сипким вантажем та моделі процесів транспортування вантажу гвинтовими конвеєрами.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження виконано із застосуванням методів теоретичної механіки, диференціального та інтегрального числення, оптимального проектування, ітераційних методів розв'язку складних рівнянь. Аналіз математичних моделей та імітаційне моделювання здійснено за допомогою розроблених програм для ЕОМ. Експериментальні дослідження проводились на засадах системного підходу із застосуванням методів статистичного опрацювання інформації, планованого багатофакторного експерименту та програм для ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше розроблено моделі транспортування ланцюгово-зв'язних частинок та пошарового руху матеріалу швидкохідним ГК, а також виявлено їх особливості та спільні закономірності, поширені на потік вантажу. Вперше отримано аналітичні залежності для розрахунку швидкохідних ГК, що ґрунтуються на доведеній, близькій до лінійної, залежності осьової складової швидкості потоку від кутової швидкості конвеєра, а також встановлено основні безрозмірні критерії вертикальних ГК, за допомогою яких визначаються основні закономірності гвинтового транспортування вантажу. Розроблено імітаційну комп'ютерну модель руху частинок потоку від контактної взаємодії з іншими частинками та з рухомими робочими поверхнями ГК. Вперше розв'язано задачу вибору оптимальних конструктивних параметрів та режимів роботи вертикальних ГК з умови мінімізації їх енергоємності.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено інженерну методику вибору раціональних режимів роботи та конструктивних параметрів ГК. Вперше розроблено методику визначення критичної кутової швидкості конвеєра та коефіцієнту тертя ковзання сипкого вантажу по робочих поверхнях на плоских моделях. Уточнено методику та алгоритми формалізованого опису робочих поверхонь конвеєра і частинок та розроблено відповідну методику реалізації обчислюваного експерименту.

За результатами досліджень розроблено конструкції гвинтових транспортно-технологічних систем та їх приводів. На окремі технічні рішення отримано 1 деклараційний патент України на винахід та 6 деклараційних патентів України на корисну модель. Результати досліджень та методику проектування конвеєрів впроваджено в навчальному процесі ТДТУ, ДП "Центр технічного розвитку", ВАТ "Тернопільський комбайновий завод", ПП Орищак В.Я., м. Тернопіль.

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримані автором особисто. В наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачем обґрунтовано теоретичні моделі транспортування взаємозв'язаних частинок і пошарового руху вантажу [5], виведено основні аналітичні залежності, обґрунтовано введення критеріїв подібності [9,10], розроблено алгоритми і програми комп'ютерних імітаційних моделей [2,4], проведено аналіз отриманих результатів теоретичних та експериментальних досліджень та оптимізовані параметри процесу транспортування [3,6,8]. В розроблених технічних рішеннях внесок автора полягає у виборі співвідношень параметрів та конструктивному забезпеченню стабільного гвинтового транспортування [12-18].

Апробація результатів дисертації. Основні результати наукових досліджень, що містяться в дисертації, доповідались і одержали позитивну оцінку на: наукових конференціях ТДТУ (м. Тернопіль, 2000-2005), Міжнародній конференції студентів та молодих науковців "ЕВРИКА-2001" (м. Львів, 2001), ІV-й та V-й Міжнародних науково-практичних конференціях "Сучасні проблеми землеробської механіки" (м. Харків, 2003, м. Вінниця, 2004), VІ-у та V-у Міжнародних симпозіумах українських інженерів механіків (м. Львів, 2003, 2005), 65-й та 66-й науково-практичній конференції КНУБА (м. Київ 2004, 2005), науково-технічній конференції "Перспективи розвитку підйомно-транспортної техніки" та Міжнародній науково-практичній конференції "Перспективы рынка подъемных сооружений в Едином Экономическом Пространстве" (м. Одеса, 2004), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Динаміка наукових досліджень 2004", (м. Дніпропетровськ, 2004), І Міжнародній науково-технічній конференції "Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин DSR AM-I" (м. Тернопіль, 2004). V-Міжнародній науково-технічній конференції "Вібрації в техніці та технологіях", (м. Вінниця, 2004), міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (м. Харків, 2005). В цілому робота доповідалась та обговорювалась на науково-методичному семінарі ПТАНУ (м. Одеса, 2004), розширеному засіданні кафедри ЕК ТДТУ, науково-методичних семінарах ТДТУ.

Публікації. Основні положення та результати дисертаційних досліджень опубліковані в 18 наукових працях, з яких 10 - у фахових наукових журналах та збірниках наукових праць, 1-деклараційному патенті України на винаходи та 6 деклараційних патентах України на корисні моделі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел з 164 найменувань та додатків. Основна частина дисертації викладена на 152 сторінках комп'ютерного тексту і містить 48 рисунків та 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету, задачі досліджень, висвітлено наукову новизну й практичне значення роботи.

У першому розділі проведено детальний аналіз досліджень процесів транспортування сипких вантажів гвинтовими конвеєрами та особливостей їх проектування. Вагомий внесок у їх вивчення зробили А.П. Александров, О.Д. Алімов, К.В. Алферов, П.І. Басов, Е. Бернхардт, А.А. Вайнсон, П.М. Василенко, Б.М. Гевко, Р.Б. Гевко, Х. Герман, А.М. Григор'єв, І.Е. Груздєв, Б.М. Гутьяр, В.К. Дьячков, В.П. Желтов, П.М. Заїка, Р.Л. Зенков, В.Г. Іванов, Ф.К. Іванченко, Г.В. Корнєв, Г.Г. Кошелєв, Л.М. Куцин, В.С. Ловейкін, Д. Мак-Келві, С. Н. Михайлов, І.В. Морін, О.О. Омельченко, Ю.А. Пертен, П.А. Преображенский, М.І. Пилипець, А.О. Співаковський, А.Я. Соколов, В.Д Ткач, Г. Шенкель, М.К. Штуков, В.Ф. Ярошенко та багато інших. Ними встановлено низку теоретичних закономірностей з дослідження кінематики та динаміки ГК, руху матеріальної частинки та умов перенесення даних моделей на випадок транспортування матеріалу потоком, властивостей матеріалів і особливості їх транспортування ГК, визначення раціональних режимів транспортування та конструктивних параметрів ГК. Питанням структурної, динамічної та параметричної оптимізації транспортно-технологічних систем, їх захисту від перевантажень присвячені роботи І.І. Артоболевского, П.С. Берника, В.І. Брауде, О.І. Вольченка А.Н. Голубенцева, О.В. Григорова, Б.Я. Левіна, В.С. Ловейкіна, І.В. Луціва, В.О. Малащенка, М.П. Мартинціва, С.Г. Нагорняка, А.П. Нестерова, В.Ф. Семенюка, А.А. Смехова, А.Г. Сухарєва, М.М. Федорова та інших вчених.

Проте багато питань залишаються недослідженими, зокрема, задачі оптимізації режимів роботи швидкохідних ГК з умови мінімізації їх енергоємності та вибір раціонального навантаження. Це вимагає подальшого теоретичного й експериментального дослідження процесів транспортування вантажу ГК, вдосконалених їх моделей та підвищення технічного рівня відповідних транспортно-технологічних систем. На основі проведеного аналізу визначено задачі дослідження, основною метою яких є проектування оптимального процесу транспортування з встановленням критеріїв подібності саме процесу (а не конвеєра), на основі чого здійснюється подальше конструктивне розроблення ГК.

У другому розділі встановлено особливості гвинтового транспортування швидкохідних ГК. Аналіз закономірностей переміщення виділеного елементу вантажу масою m_c швидкохідним ГК проводився на основі розв'язку відповідних диференціальних рівнянь руху, виведених для випадку переміщення ланцюгово-зв'язних частинок, відокремленого тонкого шару та пошарового руху потоку за умови ковзання вантажу по поверхнях кожуха діаметром D₀ та гвинта діаметром D, кроком T при обертанні гвинта з кутовою швидкістю (рис. 1).

Для ланцюгово-зв'язних частинок (рис. 1, а) диференціальне рівняння руху і-ої частинки масою m_i має вигляд:

(1)

,

та - відповідно, кутові координата, швидкість та прискорення частинки в системі координат Oz; F_i= F_i,j+1 - F_i,j-1- різниця взаємодії i-ої частинки з наступною та попередньою частинками; F_i=(F_i,j+1 - F_i,j-1)/2 - середня сила розтягу (стиску), що діє на частинку з боку інших ланок, - радіальний параметр частинки, =D/2; c - параметр кроку гвинта, c=T/2; _I - кут між сусідніми частинками; - кут підйому гвинтової поверхні; ₁=arctg₁ - кут тертя; ₁ та ₂ - коефіцієнти тертя ковзання вантажу по поверхнях гвинта та кожуха відповідно;

()=arctg{tg [-(t)]}

- кут підйому гвинтової траєкторії транспортування; - кутова швидкість гвинта; - кут нахилу ГК до горизонту.

В усталеному русі кутова швидкість зв'язної частинки коливається з амплітудою, значно меншою, ніж в моделі матеріальної частинки і, в першому наближенні, з врахуванням максимально можливої відносної величини деформації ланцюга:

_1max=(l_max-l_c)/l_c=(_m/_c),

змінюється за залежністю:

_i=_c [_1maxsin cos(_ct)],

де - координата часу.

Для моделі відокремленого тонкого шару з виділеним об'ємом ,

(рис. 1, б) можна навести аналогію із рухом ланцюгово-зв'язних частинок де приведена жорсткість осьового зв'язку зменшується із зменшенням коефіцієнту заповнення конвеєра вантажем внаслідок можливого збільшення площі перетину потоку S₁ від зміни нормальних напружень ₁. Для швидкохідних конвеєрів, з коефіцієнтом заповнення 0.6, кутова швидкість усталеного гвинтового транспортування практично не залежить від t і, відповідно, від , а рівняння руху виділеного елементу потоку має вигляд:

_2i²cos(+₁+()) = g sin sin(+₁), (2)

Вперше виведено ітераційну залежність для визначення кута підйому гвинтової траєкторії транспортування вантажу, яка справджуються для горизонтальних, похилих і вертикальних швидкохідних ГК:

₁=(1+tg_i-1/tg)arcos [2gsinsin(+₁)]/(₂D²),

де за початкове значення кут _i приймають в межах:

0 ₀ ctg(+₁).

Встановлено, що для пошарового переміщення вантажу можна використати модель із приведеними параметрами, де вплив шарів, що не контактують безпосередньо з робочими поверхнями, враховується приведеним значенням прискорення земного тяжіння. За аналізом моделі пошарового руху уточнено модель суцільного середовища.

В результаті проведених досліджень встановлено, що в області раціональних швидкісних параметрів вертикальних ГК, за умови забезпечення їх постійного заповнення, існує практично лінійна залежність осьової складової швидкості вантажу від кутової швидкості гвинта (із похибкою апроксимації не більше 2-3 % в діапазоні D = 0.08-0.04 м, = 20-50 рад/с):

, (3)

де _kП - критична кутова швидкість гвинта, при якій призупиняється осьове транспортування потоку,

.

Крім цього, існує глобальний мінімум функції питомої енергоємності ГК від кутової швидкості гвинта та кута підйому гвинтової поверхні . Встановлено, що критерієм динамічної подібності транспортування вантажу вертикальними ГК є величина Sc_П, яка визначається відношенням його критичної кутової швидкості _kП до кутової швидкості і задає динамічну подібність транспортування вантажу вертикальним ГК:

, (4)

де k_П - коефіцієнт приведення моделі частинки до потоку, k_П 1.1; P - коефіцієнт швидкохідності ГК,

P=D² /(2g).

За умови незмінного заповнення конвеєра C_П = C_П(;) існує прямо-пропорційна залежність між приведеною продуктивністю конвеєра:

q=Q/D³

та його кутовою швидкістю , тобто:

K=dq/d=Q/(D³).

Для потоку за критерій кінематичної подібності гвинтового транспортування C_П прийнято:

C_П = k tg / tg=k tg tg(+₁), (5)

Показано, що

C_П = k_T k_S /(8K) -1,

де k_T - коефіцієнт кроку,

k_T =T/D=tg;

k_S - коефіцієнт приведення площі живого перетину конвеєра,

k_S = (D₀² - d²) / D².

Коефіцієнт уточнення k попередньо прийнято k 1 і уточнено за статистичними даними з умови:

k = k_T k_S Q/(8D³).

Питома енергоємність транспортування виділеного на довжині dl конвеєра об'єму потоку з насипною густиною _П і масою

dm = _ПQdl/v_z,

визначається за залежністю:

, (6)

де W- безрозмірний коефіцієнт енергоємності транспортування вантажу ГК (коефіцієнт опору переміщенню); _П - насипна густина вантажу.

Теоретичний аналіз енергоємності конвеєра доцільно проводити за функцією від запропонованих безрозмірних критеріїв W=W(Sc_П; C_П). Для визначення оптимальних значень C_П та Sc_П, за яких функція W досягає мінімуму, попередньо встановлено область їх пошуку, яка для 0.3 ₁ 1.2 становить 0.27 Sc_П 0.42; 0.1 C_П 0.23. Показано, що за вибраними Sc_П та C_П, осьова складова швидкості потоку v_П, його кутова швидкість _П та кут підйому траєкторії транспортування _П визначаються за залежностями:

; ; . (7)

У третьому розділі наведено моделювання процесів на ЕОМ в режимі обчислюваного експерименту. Для цього, з метою уніфікації формалізованого опису об'єктів, поверхні ГК та частинок описано неявно у вигляді однорідних алгебро-логічних функцій, за якими визначено їх взаємне розміщення та відстань від поверхонь до центру частинки вантажу. Основною відмінністю моделі є одночасне використання для опису обчислюваних процедур гвинтової, циліндричної та декартової систем координат. Для i-ї рухомої частинки радіусом r_i з координатами _i, _i, z_i, віддаль до поверхні кожуха визначено за функцією:

f_2i = D/2-_i,- r_i,

до гвинтової поверхні, в околі контактних зон, за функцією:

.

Аналогічним чином визначено взаємне розміщення частинок і поверхонь завантажувальних та розвантажувальних пристроїв. Позиціонування частинок здійснено в декартовій системі координат. Диференціальні рівняння руху складено з врахуванням можливої одночасної ударної взаємодії частинок з використанням апробованих алгоритмів.

Розроблено відповідну програму на ЕОМ для реалізації переміщення частинок потоку від заданих функціонально переміщень робочих органів, як результату контактної взаємодії частинок і розв'язку відповідних рівнянь, підтверджено основні закономірності руху частинок в потоці.

Показано, що під час пуску ГК із завантаженим робочим простором момент зрушення вантажу, особливо для високошвидкісних ГК, суттєво перевищує момент усталеного транспортування, а взаємодія гвинтової поверхні із вантажем має ударний характер. Зміна ударного навантаження за результатами моделювання апроксимовано залежністю:

, (8)

де t₁- час, за який весь вантаж набуде зрушення,

.

Тут k - коефіцієнт, що враховує умови захоплення вантажу гвинтом, _Т - величина осьового переміщення для ущільнення матеріалу, v₁ - швидкість збігу гвинта.

Максимальну силу ударного навантаження, необхідну для надання зрушеній масі m швидкості v визначено за залежністю:

, (9)

де k₁=k₁()- коефіцієнт форми кривої (8); K_F- комплексний безрозмірний коефіцієнт, що враховує коефіцієнт заповнення, умови транспортування тощо, K_F = 0.3-0.5; L - довжина заповненого вантажем конвеєра.

Визначено коефіцієнт динамічності ударного навантаження:

k_д= N₁ [1+ (1 + k₂₂) F_max /N₁],

де N₁- нормальна сила, що діє на гвинт при усталеному транспортуванні; k₂ - коефіцієнт, що враховує боковий тиск вантажу. Відповідно, максимальний обертовий момент приводу становить:

T_max = k_д Т_пот.

У четвертому розділі викладено програму досліджень, наведено прилади, обладнання, експериментальні установки, які використано для проведення дослідів і результати експериментальних досліджень. Розроблено нові методики уточнення коефіцієнтів зовнішнього тертя ковзання сипкого вантажу по рухомих поверхнях за кутом відхилення потоку критичної кутової швидкості вертикального ГК та критеріїв Sc_П та C_П з використанням плоских моделей, для чого розроблено відповідне обладнання на базі координатної системи графопобудовача СМ 6470.05 та сканера HP Scanjet 2400 TWAIN з використанням цифрової камери та редактора РнotoShop для оброблення даних.

Визначення кінематичних та енергосилових параметрів процесу транспортування, встановлення критичних кутових швидкостей та їх відповідності теоретичним даним проведено на дослідній установці (рис. 2), яка складається з рами 1, установленої на регульованих опорах 5, на якій у корпусах 3 кожуха 2 на підшипниках 6 розміщено гвинт 4. У корпусі виконано завантажувальне 8 і розвантажувальне 9 вікна. Завантажувальну площадку 12 конвеєра виконано з можливістю зміни кута нахилу. Обертовий рух на гвинт передається через пасову передачу 7 від 3-х фазного асинхронного двигуна 11 потужністю 1,5 кВт, який живиться від перетворювача частоти (ПЧ) Altivar58 (поз.10), що забезпечує стабільну роботу приводу у довільному режимі. Використання Altivar58, а також програмованого логічного контролера TSX, дозволяє проводити експерименти в автоматизованому режимі, реалізувати керуючі програми шляхом їх завантаження з ПК. (поз. 13). Методикою експериментальних досліджень передбачено уточнення результатів теоретичних досліджень та підтвердження правомірності використання методики розрахунку ГК з використанням безрозмірних параметрів Sc_П, C_П чи K.

Дослідження горизонтальних та похилих ГК проведено на двох установках різного типорозміру, в т.ч. з використанням ГК з прозорим кожухом. Для визначення продуктивності та енергоємності транспортування горизонтальними та пологими ГК в умовах перехідного (15 45 рад/c) транспортування розроблено математичне планування експерименту. Методикою передбачено встановлення характеру руху частинок при їх зрушені та переміщенні потоком і визначення коефіцієнту динамічності ГК.

За результатами дослідження встановлено, що сипкий вантаж в процесі усталеного транспортування переміщується як зв'язний матеріал, практично без взаємного зміщення шарів та суттєвих власних кутових провертань навіть округлих частинок (рис. 4). Величина перерозподілу та ущільнення матеріалу (для плоскої моделі відповідає рис. 4, а-б), при зрушенні зупиненого заповненого ГК є незначною. Так, для пшениці осьове переміщення зрушення при 0.5, становить

_Т=(0.01-0.03)Т

і зменшується при збільшені .

Коефіцієнт динамічності при зрушенні сої складав k_д = 2-3, пшениці -k_д=2.5-4, піску - k_д = 3-6. Для вертикальних швидкохідних конвеєрів коефіцієнт динамічності може досягати k_д = 6-9. Експериментами встановлено, що плавне нарощування швидкості для запуску вертикального ГК із використанням ПЧ Altivar58, дозволило зменшити коефіцієнт динамічності до k_д = 1.1-1.3. Відмічався дещо нижчий від табличних даних рівень коефіцієнту тертя ковзання потоку до робочих поверхонь (до 20 %), що свідчить про динамічний характер коефіцієнтів тертя ковзання та доцільність використання розроблених методик його визначення для вибору раціональних параметрів процесу транспортування вантажу ГК. За результатами досліджень встановлено, що залежності (6,7) адекватно описують процеси транспортування вантажу вертикальними ГК. Розбіжність між теоретичними та експериментальними результатами при цьому не перевищує 7 %. Графіки зміни приведеної потужності N₀ та питомої енергоємності w вертикального ГК від кутової швидкості гвинта щ (рис. 5,6) підтверджують теоретично встановлені закономірності зміни енергосилових параметрів процесу. Певне перевищення питомої енергоємності транспортування зумовлюється неврахованими втратами на перемішування та пересипання зерна через зазори, які із зниженням швидкохідності зростають.

За реалізацією планованого експерименту отримано регресійні залежності для визначення продуктивності Q, приведеної (до 1 м) потужності P₀ та питомої енергоємності горизонтальних та низькопохилих ГК з параметрами D=T=0.1 м, що працюють в перехідних режимах, залежно від кутової швидкості щ (рад/c) та кута нахилу до горизонту (град) з областю їх зміни в межах: 15 x₁ = щ 45 та 0 x₂ = 30:

, (м ³/с);

, (Вт/м); (10)

, (дж/м ⁴).

Отримані результати методами теорії подібності поширюються на інші типорозміри гвинтових конвеєрів і є придатними для практичного використання.

У п'ятому розділі наведено результати розв'язку задач нелінійного програмування та визначення оптимальних параметрів транспортування сипкого вантажу ГК, на основі чого розроблено інженерну методику їх проектування. З вибором режимів роботи, напрацьовано рекомендації для покращення конструкцій ГК та зменшення їх енергоємності.

Для вертикального ГК поставлено та розв'язано нелінійну параметричну задачу оптимізації режимів транспортування, що задаються факторами Sc_П та C_П, за критерієм енергоємності (7), для чого побудовано цільову функцію:

, (11)

де W- безрозмірний критерій енергоємності. Кут підйому гвинта є функцією від ₁ та C_П,

.

В базовій моделі за основні прийнято обмеження за продуктивністю Q та стабільністю транспортування по перетину потоку. Для розширення моделі в число змінних факторів, поряд із x₁ = S_C; x₂ = C, включено коефіцієнт тертя ковзання x₃ = ₁, який, як правило, приймається за умовами задачі незмінним, проте має найсуттєвіший вплив на енергоємність процесу. Згідно (11) коефіцієнт тертя ковзання вантажу до кожуха ₂ на мінімальний рівень енергоємності не впливає, оскільки зміною режимів можна завжди забезпечити оптимальний рівень S_C. На рис. 7 показано розміщення зони оптимальних параметрів Sc_П та C_П для різних рівнів ₁.

За результатами числового розв'язку оптимізаційної задачі визначено теоретично-оптимальні поєднання факторів Sc_П та C_П (табл. 1), які мінімізують безрозмірний критерій енергоємності (коефіцієнт опору переміщенню вантажу) W та, відповідно енергоємність ГК.

Таблиця 1.

Теоретично - оптимальні значення Sc_П та C_П, що мінімізують енергоємність вертикального ГК

Параметри оптимізації та функція W	Коефіцієнт тертя ковзання вантажу до поверхні гвинта 1
	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2
ScП	0,275	0,32	0,35	0,37	0.38	0,388	0,395	0,4	0,405	0,41
CП	0,1	0,125	0,15	0,17	0,185	0,195	0,205	0,215	0,22	0,23
W	5,95	8,044	10,46	13,22	16,34	19,85	23,75	28,05	32,77	37,9

Зміна мінімального теоретичного рівня критерію енергоємності W (табл.1) від ₁ із коефіцієнтом кореляції r = 0.998 апроксимується залежністю:

W = 2.30 + 6.64₁ + 19.16₁², (12)

Статистичним аналізом доведено, що із відхиленням W не більше 1 %, для 0.3 ₁ 1.2 значення оптимальних параметрів Sc_П та tg і, відповідно, C_П = C_П (₁;) (5), визначаються за регресійними залежностями:

Sc_П() = 0.3 + 0.1₁; tg = f() = 0.25-0.1₁, (13)

Встановлено, що для вертикальних ГК при ₁ 0.4 значення Sc_П = 0.4; C_П = 0.2 є компромісними і задають низький рівень енергоємності, відхилення якого від мінімально можливого за (12) не перевищує 5 %. Для вказаних Sc_П та C_П, безрозмірний критерій енергоємності визначається за залежністю:

. (14)

Для заданих значень Sc_П та C_П інженерна методика вибору раціональних режимів роботи та конструктивних параметрів вертикальних ГК передбачає наступне: визначення кута підйому гвинтової поверхні за зовнішнім діаметром; визначення раціональних значень коефіцієнту швидкохідності P та кутової швидкості ГК:

;. (15)

Далі попередньо визначають зовнішній діаметр гвинта, що забезпечує задану продуктивність:

та уточнюють його значення з умови мінімізації матеріаломісткості за відомими залежностями.

Оптимізацію процесу транспортування сипкого вантажу горизонтальними швидкохідними ГК з умови мінімімізації енерговитрат проведено за функцією енергоємності , яку можна розділити на взаємно незв'язані складові:

(16)

За незалежні безрозмірні параметри прийнято:

x₁ = P_S = D_п ²/(2g);

x₂ = ; x₃ = ₁, x₄ = ₂.

Тут P_S та W(, ₁) - коефіцієнти швидкохідності та енергоємності процесу гвинтового транспортування,

P_S = P(_П/)².

Базові обмеження прийнято за продуктивністю, стабільністю транспортування та однорідністю потоку. Зменшення x₁, x₂, та x₄ в рамках заданих обмежень однозначно знижує енергоємність конвеєра. Залежність коефіцієнта енергоємності W(, ₁) від параметру наведено на рис. 8. Він, як і функція мети w від кута , має мінімум, що визначається з умови:

. (17)

Значення кута , що задовольняє рівняння (17) визначено за ітераційною залежністю:

_j = arctg [0.5sin(2_j-1+2₁)],

де за початкове значення прийнято ₀ = arctg(1/) 0.3, що відповідає коефіцієнту кроку гвинта k_T = T/D = 1. Згідно рис. 8 крива залежності W(, ₁) від є пологою і в діапазоні значень, що рекомендовані нормативними матеріалами ( = 0.305-0.36 для k_T = 1-1.2) має величини, близькі до оптимуму.

Методика розрахунку горизонтальних швидкохідних ГК відрізняється від вертикальних тим, що кут підйому гвинтової поверхні обчислюється незалежно від інших параметрів, зокрема , які визначаються за функціями обмежень. Конструктивну відмінність швидкохідних ГК, призначених для горизонтального та вертикального транспортування, складає те, що для перших раціональним, з точки зору енергоємності, коефіцієнт кроку є 0.9 k_T 1.3, а для других - 0.45 k_T 0.8.

Встановлено, що для похилих швидкохідних ГК із збільшенням кута нахилу конвеєра зменшується кут підйому траєкторії транспортування за законом, близьким до синусоїдального, а осьова швидкість та продуктивність - за майже лінійною залежністю.

За результатами досліджень на основі схемного аналізу та синтезу конструкцій розроблено конструктивні рішення, спрямовані на зменшення енергоємності, динамічних навантажень в перехідних процесах і стабілізацію процесу розгону ГК, серед яких - технічні рішення із підпружиненою в осьовому чи (та) радіальному напрямках завантажувальною частиною гвинта, надання йому коливних рухів в осьовому напрямку, забезпечення керування динамічним навантаженням. Оскільки енергоємність ГК зростає із збільшенням коефіцієнту тертя ₁ у квадратичній залежності, то відмічено доцільність покращення антифрикційних властивостей поверхні гвинта. За отриманими результатами розроблено конструктивні рішення поєднання гвинтового транспортування із технологічними функціями. Отримано деклараційні патенти на винаходи та корисні моделі на: стенд для дослідження ГК, шнекомір, лопать шнека, гвинтові змішувач, класифікатор, соковитискач. Крім того, отримано деклараційний патент на корисну модель роторного-пневматичного двигуна, на основі якого розроблена система плавного динамічного навантаженням гвинтового конвеєра. Методика розрахунку та проектування гвинтових конвеєрів дозволяє на етапі проектування закласти раціональні параметри ГК та енергоощадні режими транспортування та зменшити енергоємність ГК порівняно із тими, що експлуатуються, зокрема, для вертикальних ГК до 20-30 %. Запропоновані методики впроваджено в навчальному процесі ТДТУ, в ДП "Центр технічного розвитку", ВАТ "Тернопільський комбайновий завод", ПП Орищак В.Я., м. Тернопіль

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі, що виявляється у розробленні моделей процесу транспортування вантажу гвинтовими конвеєрами (ГК), на основі реалізації яких встановлено області режимів зниженої енергоємності, розроблено методики інженерного розрахунку малоенергоємних конвеєрів, намічено шляхи зменшення динамічного навантаження, а також розроблено нові технічні рішення.

1. На основі проведеного аналізу встановлено, що моделі вантажу у вигляді матеріальної частинки неадекватно відтворюють динаміку його транспортування ГК. Існуючі методики проектування не забезпечують мінімізацію енерговитрат ГК. За проведеним аналізом обґрунтовано розрахункові схеми вибору оптимальних параметрів вертикальних та горизонтальних швидкохідних ГК.

2. Встановлено, що для швидкохідних горизонтальних та похилих ГК, амплітуда коливання кутової швидкості потоку в часі залежить від жорсткості зв'язків між частинками та коефіцієнту заповнення шнека . В режимі швидкохідного гвинтового транспортування для 0.6, коливання кутової швидкості вантажу практично припиняється, а процес транспортування можна розглядати як стаціонарний.

3. За результатами розв'язку диференціальних рівнянь руху вантажу та реалізацією моделей гвинтового транспортування вертикальними конвеєрами, як зв'язних частинок, так і потоку вантажу, встановлено тенденцію прямопропорційної залежності між осьовою складовою швидкості частинки та кутовою швидкістю гвинта (в діапазоні типорозмірів конвеєрів D = 0.05-0.5 м та кутових швидкостей = 10-100 рад/c, похибка не перевищує 3-5 %).

4. Вперше встановлено, що гвинтове транспортування характеризується взаємопов'язаними коефіцієнтами кінематичної C та динамічної S_C подібності, які визначають постійність кінематичного та динамічного режиму транспортування, враховують характеристики вантажу та є критеріями подібності процесу гвинтового транспортування. За результатами досліджень вибір критеріїв подібності S_C = 0.4 та C_П = 0.2 визначають рівень низької енергоємності вертикальних ГК, що не перевищує 5 % від мінімального для транспортування сипких вантажів із коефіцієнтом зовнішнього тертя = 0.4-1.2.

5. Встановлено, що мінімально допустимий рівень енергоємності вертикальних ГК залежить тільки від коефіцієнту тертя ковзання матеріалу по поверхні спіралі і не залежить від інших параметрів. Для забезпечення мінімальної енергоємності вертикальних ГК крок гвинта необхідно узгоджувати з характеристиками вантажу і, для S_C = 0.4 співвідношення k_T = T/D повинно змінюватись від 0.7-0.8 для ₁ = 0.4 до 0.5-0.6 для ₁ = 1.0 згідно встановлених закономірностей. Для високошвидкісних ( 70 рад/c) горизонтальних ГК при транспортуванні малофрикційних вантажів (₁ 0.5) мінімізація енергоємності конвеєра досягається збільшенням кроку гвинта до значення, що забезпечує співвідношення k_T = T / D 1.4.

6. Імітаційне моделювання перехідних процесів транспортування, яке ґрунтується на побудові моделей потоку, як сукупності частинок, адекватно їх відтворює та може застосовуватись для дослідження процесів завантаження, розвантаження, зрушення тощо. Це дозволяє скоротити обсяг пошукових експериментальних досліджень та час технологічної підготовки виробництва нових виробів.

7. Розроблена інженерна методика проектування дозволяє на етапі проектування вибирати режими транспортування та конструктивні параметри швидкохідних ГК з мінімальним рівнем енергоємності (відхилення не перевищує 8 %), що в 1.3-1.9 рази менше енергоємності конвеєрів із рекомендованими нормативними параметрами.

8. За результатами досліджень розроблено пристрої для зменшення динамічного навантаження гвинтових конвеєрів і транспортно-технологічні системи з використанням гвинтового переміщення вантажу (компонентів), які захищені 1 деклараційним патентом України на винахід та 6-ма патентами України на корисні моделі, методики та рекомендації впроваджено в навчальний процес, підприємства Тернопільської обл.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рогатинська О.Р. Моделі процесів переносу зернистих частинок в потоці // Студентський науковий вісник (Тернопільський державний педагогічний університет ім В. Гнатюка), 2001. Вип.№4. - С. 130-132.

2. Гупка Б.В., Рогатинська О.Р. Моделі контактної взаємодії частинок технологічного середовища з робочими поверхнями деталей машин. // Наукові нотатки. Міжвузівський зб. (за напрямком "Інженерна механіка"). - Луцьк: Вид-во ЛДТУ, 2002. - вип. 11. - С. 114-120. [Здобувачем обґрунтовані параметри моделі контактної взаємодії].

3. Дмитрів Д., Дудін О., Рогатинська О. Оптимізація конструктивних параметрів робочих органів кормозмішувачів // Вісник Тернопільського державного технічного університету, 2003. - Т.8, №4. - С. 37-43. [Встановлені функції обмеження за транспортуючою здатністю змішувача].

4. Пік А.І., Дудін О.В., Рогатинська О.Р. Динамічна модель взаємодії частинок сипкого вантажу між собою та з робочими поверхнями машин. // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. - Харків: вип. 24. - Механізація сільськогосподарського виробництва, 2004. - С. 120-127. [Розкрито особливості одночасної взаємодії частинок між собою та з поверхнями конвеєра].

5. Ловейкін В.С., Рогатинська О.Р. До розрахунку швидкохідних гвинтових конвеєрів / Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Вип. 21, - Мелітополь: ТДАТА, 2004. - С. 130-141. [Обґрунтовано закономірності зміни швидкості потоку від кутової швидкості конвеєра].

6. Ловейкін В.С., Рогатинська О.Р Оптимізація режимів роботи гвинтових конвеєрів / Підйомно-транспортна техніка. № 2, 2004. - С. 8-15. [Визначено алгоритм оптимального розрахунку гвинтових конвеєрів].

7. Рогатинська О.Р. Модель транспортування вантажу гвинтовим конвеєром // Гірничі, будівельні дорожні та меліоративні машини. Всеукраїнський збірник наукових праць. - К: КНУБА, НДІ БДІТ, Вип. 63, 2004. - С. 33-38.

8. Гевко І.Б., Дмитрів Д.В., Дудін О.В., Рогатинська О.Р. Техніко-економічне обгрунтування структури транспортера неперервної дії // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. - Харків: вип. 29. - "Механізація сільськогосподарського виробництва", 2004. - С. 350-356. [Дано oбгрунтування структури гвинтових конвеєрів].

9. Ловейкін В.С., Рогатинська О.Р Моделювання та керування навантаженням гвинтових конвеєрів. // Вісник Тернопільського державного технічного університету, 2005. - Т.10, №1. - С. 37-43. [Проведено числовий розв'язок диференціального рівняння руху, зроблено допущення моделі, обґрунтовано введення параметрів кінематичної та динамічної подібності].

10. Ловейкін В.С., Рогатинська О.Р. Вибір раціональних параметрів та режимів роботи вертикальних гвинтових конвеєрів // Збірник наукових праць Вінницького державного аграрного університету. - Вип. 23, - Вінниця: ВДАУ, 2005. - С. 181-195. [Дано теоретичне та дослідне підтвердження поширення виявлених закономірностей щодо руху частинки на потік вантажу].

11. Рогатинська О.Р. Моделювання процесу транспортування сипких вантажів швидкохідними гвинтовими конвеєрами // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. - Харків: вип. 42"- "Вдосконалення технологій і обладнання виробництва продукції тваринництва", 2005. - С. 50-57.

12. Деклараційний пат. на винахід 31565А, Україна, МКВ В 01F15/02, В 65G33/14. Пристрій для змішування і подачі сипучих вантажів / Дмитрів Д.В., Назар І.Й., Рогатинська О.Р., Остапченко О.В. - № 98095095; Заявл. 29.09.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл. №7-11. - 4с. [Обґрунтовано співвідношення параметрів транспортуючої частини].

13. Пат. на корисну модель 4115А, Україна, МКВ В 65G33/16. Гвинтова соковижималка / Гевко І.Б., Дубик О.І., Рогатинська О.Р. - №2004010162; Заявл. 09.01.2004; Опубл. 17.01.2005, Бюл. №1. - 2с. [Обґрунтовано параметри гвинтового робочого органу].

14. Пат. на на корисну модель 4116А, Україна, МКВ В 65G33/16. Гвинтовий класифікатор / Гевко І.Б., Дубик О.І., Рогатинська О.Р. - №2004010169; Заявл. 09.01.2004; Опубл. 17.01.2005, Бюл. №1. - 2с. [Обґрунтовано параметри гвинтової спіралі].

15. Пат. на корисну модель 4283А, Україна, МКВ В 65G33/16. Ротаційний пневматичний двигун / Рогатинська О.Р., Лисенко Л.В., Лисенко О.А., Сичов В.П., Дудін О.В. - №20040402777; Заявл. 15.04.2004; Опубл. 17.01.2005, Бюл. №1. - 2с. [Обґрунтовані співвідношення робочої зони].

16. Пат. на на корисну модель 7757А, Україна, МКВ В 21D11/06. Робочий орган гнучкого секційного гвинтового транспортера / Гевко І.Б., Рогатинська О.Р., - №20041008386; Заявл. 15.10.2004; Опубл. 15.07.2005, Бюл. №7. - 2с. [Обґрунтовані параметри гнучкого каркасу].

17. Пат. на на корисну модель 10169А, Україна, МКВ G01D3/20. Шнекомір / Гевко І.Б., Рогатинська О.Р., Новосад І.Я., Дзюра В.О. - №200501474; Заявл. 17.02.2005; Опубл. 15.11.2005, Бюл. №11. - 2с. [Встановлені діапазони вимірювань по кроку гвинта].

18. Пат. на корисну модель 10254А, Україна, МКВ В 21D11/06. Стенд для дослідження характеристик гвинтових конвеєрів / Гевко І.Б., Рогатинська О.Р., Новосад І.Я., Дзюра В.О. - №200502962; Заявл. 31.03.2005; Опубл. 15.11.2005, Бюл. №11. - 2с. [Обґрунтовано конструктивне забезпечення керованістю гвинтового конвеєра].

АНОТАЦІЯ

Рогатинська О.Р. Обґрунтування параметрів навантаження і конструкцій гвинтових конвеєрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.05 - піднімально-транспортні машини. - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2006.

У дисертації наведено дослідження, направлені на мінімізацію енерговитрат гвинтових конвеєрів і підвищення стабільності транспортування сипких вантажів шляхом раціонального їх навантаження та вибору оптимальних режимів роботи і конструктивних параметрів.

Розроблено моделі процесу транспортування вантажу гвинтовими конвеєрами, теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено прямопропорційну залежність між осьовою складовою швидкості потоку вантажу та кутовою швидкістю вертикального гвинтового конвеєра, встановлено фактори, що впливають на енергоємність конвеєра, введено безрозмірні критерії кінематичної та динамічної подібності вертикальних гвинтових конвеєрів, вперше проведено оптимізацію параметрів швидкохідного гвинтового транспортування із умови мінімізації їх енергоємності. Показано, що для вертикального гвинтового конвеєра мінімально можливий рівень енергоємності визначається тільки коефіцієнтом тертя ковзання вантажу по поверхні гвинта.

...