Повышение эффективности вертикального пневмовинтового конвейера для зерна обоснованием конструктивно-технологических параметров
На правах рукописи
Нестеров Сергей Анатольевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ВЕРТИКАЛЬНОГО ПНЕВМОВИНТОВОГО КОНВЕЙЕРА
ДЛЯ ЗЕРНА ОБОСНОВАНИЕМ
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Специальность 05.20.01 – технологии и средства
механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2010
Работа выполнена в федеральном государственном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Са ратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вави лова».
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Демин Евгений Евгеньевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Абезин Валентин Германович кандидат технических наук Соловьев Александр Владимирович
Ведущая организация – ГНУ «НИИСХ Юго-Востока» Россель хозакадемии.
Защита состоится 20 декабря 2010 года в 10.15 на заседании дис сертационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия».
Отзывы направлять по адресу: 400002, г. Волгоград, пр. Универ ситетский, 26, ВГСХА, ученому секретарю диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА».
Автореферат разослан 19 ноября 2010 г. и размещен на сайте:
http://www.vgsha.ru.
Ученый секретарь диссертационного совета А.И. Ряднов Актуальность темы. Улучшение технологического уров ня производства, совершенствование технологических процес сов, снижение основных затрат с учетом современных дости жений науки и практики являются основными факторами по вышения эффективности растениеводства. Удорожание энер горесурсов вызывает необходимость в разработке энерго- и ресурсосберегающих технологий и машин.
Технологии производства, хранения и переработки зерна предусматривают его транспортирование в зернохранилище, зерносклад или элеватор. Процесс закладки на хранение свя зан с необходимостью вертикального или крутонаклонного транспортирования в бункеры или силосы. В настоящее время для этих целей используются в основном ковшовые элевато ры, или нории. Однако данные устройства рассчитаны на производительность 20…250 т/ч и имеют значительные разме ры, что не позволяет эффективно применять их в небольших хозяйствах и на перерабатывающих предприятиях. На таких предприятиях для подъема зерна используют вертикальные винтовые конвейеры (шнеки).
Серийно выпускаемые винтовые конвейеры, обладая компактностью и простотой в эксплуатации, в то же время имеют недостаточную производительность и высокую энерго емкость. Энергоемкость горизонтальных винтовых конвейе ров составляет 350…500 Дж/кг, вертикальных – более Дж/кг.
Ранее проведенными исследованиями обоснованы пара метры и режимы работы шнеков для различных условий при менения. Дальнейшее повышение производительности и сни жение энергоемкости винтовых конвейеров возможно путем изменения принципа перемещения груза. Одним из наиболее перспективных путей является применение совмещенного принципа транспортирования.
Цель исследований – повышение эффективности верти кального транспортирования зерна путем обоснования ресур сосберегающих конструктивно-технологических параметров пневмовинтового конвейера.
Объект исследования – технологический процесс верти кального транспортирования зерна пневмовинтовым конвейе ром.
Предмет исследования – закономерности изменения производительности и энергоемкости процесса вертикального транспортирования зерна в зависимости от конструктивных и режимных параметров шнека и воздушного потока.
Методика исследования предусматривала теоретический анализ процесса вертикального транспортирования зерна при одновременном воздействии винтовой поверхности и потока воздуха и экспериментальное подтверждение теоретических положений в лабораторных и производственных условиях.
Теоретические исследования базировались на методах матема тического анализа и теоретической механики. Экспериментальные исследования проводились с использованием теории многофактор ного планирования и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в разработке и ис следовании вертикального пневмовинтового конвейера, соче тающего принципы транспортирования винтовой поверхно стью и потоком воздуха (патент № 2376233), получении ана литических и опытных зависимостей производительности, суммарной приводной мощности и энергоемкости процесса работы;
теоретическом и экспериментальном обосновании ре сурсосберегающих параметров и режимов работы.
На защиту выносятся следующие научные положения:
• конструктивно-технологическая схема пневмовинтового конвейера (патент на изобретение № 2376233);
• аналитические зависимости, описывающие изменение производительности, суммарной приводной мощности и энер гоемкости процесса работы от влияния конструктивных и ре жимных параметров;
• регрессионные модели и экспериментальные зависимо сти, позволяющие обосновать значения параметров пневмо винтового конвейера, при которых достигаются наименьшие затраты энергии при заданной производительности.
Практическая значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании конструктивных и режимных па раметров, результаты которого приняты за основу при создании опытного образца пневмовинтового конвейера. Предлагаемый пневмовинтовой конвейер внедрен в ООО «Прихоперский элева тор» (г. Аркадак, Саратовская область), КХ «Возрождение» (Духов ницкий район, Саратовская область). Полученные результаты могут быть использованы проектными и конструкторскими организация ми для определения параметров пневмовинтового конвейера на стадии проектирования.
Апробация. Основные положения работы докладывались на конференциях по итогам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава Саратовского госу дарственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (2006–2010 гг.);
на Международных научно-практических кон ференциях «Вавиловские чтения» (Саратов, 2005, 2007, 2008, 2009 гг.), на теоретическом семинаре инженерных факульте тов Волгоградской ГСХА (Волгоград, 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи – в изданиях, включенных в «Перечень ведущих журналов и изданий» ВАК РФ. Получен патент на изобретение № 2376233. Общий объем публикаций составляет 2,25 печ. л., из них лично соискателю принадлежит 1,04 печ. л.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста (в т. ч. основной текст – страниц), состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и шести приложений, со держит 7 таблиц и 59 рисунков. Список использованной ли тературы включает в себя 106 источников, из них 3 – на ино странных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи ис следований» отражено современное состояние процессов вер тикального транспортирования зерна конвейерами, в частно сти шнеками.
Подъемно-транспортные машины являются неотъемлемой частью технического парка в сельском хозяйстве. Доля работ, выполняемых данными машинами, достигает 40 % общего объема. В настоящее время в различных технологиях произ водства и хранения зерна для его вертикального транспорти рования широко применяются ковшовые элеваторы. В некото рых случаях используют специальные ленточные и пневмати ческие транспортеры. Основной недостаток данных машин связан с тем, что они рассчитаны на большую производитель ность и имеют значительные габариты и высокую энергоем кость. Использовать данные устройства на небольших пред приятиях, в том числе в крестьянских (фермерских) хозяй ствах, экономически не выгодно. На таких предприятиях для подъема зерна применяют вертикальные винтовые конвейеры.
Анализ проведенных исследований показал, что основным недостатком винтовых конвейеров (особенно крутонаклонных и вертикальных) является высокая энергоемкость транспорти рования при сравнительно небольшой производительности.
Повысить производительность и улучшить другие показа тели эффективности вертикального винтового конвейера мож но путем увеличения коэффициента заполнения межвиткового пространства. Один из вариантов – применение двухвинтового транспортера. Также рассматривались конструкции винта с переменными шагом и диаметром. Однако все эти решения не меняли физической картины захвата и последующего транс портирования груза вертикальным винтовым конвейером. Для снижения воздействия центробежных сил и вращающегося винта на частицы груза необходимо создать в загрузочном устройстве силовое воздействие, направленное к центру винта.
Этого позволит достичь всасывающий воздушный поток в ко жухе транспортера.
Значительный вклад в исследование винтовых транспорте ров, в том числе вертикальных, внесли А.М. Григорьев, В.В.
Красников, И.И. Качанова, П.И. Хозина, Ю.Г. Гурьянов, Ю.И.
Волков, В.В. Криловецкий и др. Изучению спиральных кон вейеров посвящены работы В.Г. Артемьева. Совместное транспортирование зерна шнеком и потоком воздуха рассмат ривалось А.Н. Салиховым. Он исследовал влияние параметров всасывающего воздушного потока на производительность транспортирования.
Подача в кожух винтового транспортера всасывающего воздушного потока значительно изменяет физическую карти ну взаимодействия винтовой поверхности с грузом. Следова тельно, необходимо обоснование конструктивных параметров шнека, поскольку параметры для обычного вертикального шнека в данном случае не являются оптимальными. Из-за до полнительной силы со стороны воздушного потока уменьша ется сила тяжести, приходящаяся на винтовую поверхность.
Вследствие этого изменяется шаг винта, при котором может быть достигнута оптимальная производительность. Важное значение приобретает величина зазора между винтом и кожу хом, влияние которой необходимо исследовать.
Для достижения поставленной цели необходимо было ре шить следующие задачи:
• провести анализ существующих исследований верти кальных винтовых конвейеров для выявления причин низкой эффективности и путей их устранения;
• обосновать конструктивно-технологическую схему пнев мовинтового конвейера, обеспечивающую повышение произ водительности и снижение энергоемкости вертикального транспортирования зерна;
• теоретически исследовать процессы заполнения межвит кового пространства зерном и его последующего транспорти рования пневмовинтовым конвейером и получить аналитиче ские выражения для определения производительности, при водной мощности и энергоемкости, а также конструктивно-ре жимных параметров;
• получить экспериментальные зависимости производи тельности, приводной мощности и энергоемкости пневмовин товой установки от конструктивных и режимных параметров для зерна с различными физико-механическими свойствами и описывающие их вероятностно-статистические модели;
• провести производственные испытания пневмовинтово го конвейера и дать технико-экономическую оценку эффек тивности его использования.
Во второй главе «Теоретическое исследование транс портирования зерна вертикальным винтовым конвейером»
обоснована новая конструктивно-технологическая схема пнев мовинтового конвейера, работа которого основана на совмест ном транспортировании зерна винтовой поверхностью и воз душным потоком. На основе анализа процесса комбинирован ного подъема зерна получены уравнения для определения производительности, приводной мощности и энергоемкости пневмовинтового конвейера.
Пневмовинтовая установка (рис. 1) содержит: кожух 1 с загрузочным бункером 2, установленный в кожухе шнек 3 с валом 4 на подшипниках 5 и всасывающий вентилятор 6 с тру бопроводом 7. Последний имеет заслонку 8 для регулирования воздушного потока. Имеется также механизм привода 9 шнека и вентилятора. Ротор электродвигателя 10, входящего в меха низм привода 9, дополнительно соединен с механизмом управления заслонкой. Механизм управления заслонкой регу лирует величину открытия всасывающего трубопровода.
Подъем зерна пневмовинтовой установкой происходит следующим образом. При включении электродвигателя 10 его ротор начинает вращать механизм привода 9, который приво дит во вращение шнек 3 с валом 4 на подшипниках 5 и всасы вающий вентилятор 6. При этом шнек 3 начинает воздейство вать на сыпучий груз и поднимает его, а вентилятор 6 создает в трубопроводе 7 всасывающий воздушный поток. Подъем сы пучего груза происходит при одновременном воздействии шнека и всасывающего потока воздуха, что увеличивает производительность установки и снижает энергоемкость.
Работа вертикального шнека начинается с захвата частицы винтовой поверхностью в загрузочном устройстве. Величина заполнения межвиткового пространства захваченными части цами определяет производительность конвейера. На частицу, находящуюся на наружной кромке винта, действуют силы, равнодействующая которых определяет направление и траек торию движения частицы.
Теоретические исследования винтовых транспортеров, проведенные ранее, были посвящены главным образом изуче нию процессов, происходящих в транспортной части. Однако взаимодействие винтовой поверхности и сыпучего груза в за грузочном устройстве существенно отличается от их взаимо действия в транспортной части. Данное обстоятельство обу словлено отсутствием сил взаимодействия с кожухом.
Ранее проведенными ис следованиями установлена система дифференциальных уравнений, описывающая движение частицы материа ла, опирающейся на винто вую поверхность и прижа тую к стенке кожуха, для общего случая наклонного расположения оси винтово го конвейера. Решение этой системы теряет смысл при любом угле наклона конвей ера. Далее период неустано вившегося движения прини мается кратковременным, а по истечении нескольких Рисунок 1 – Схема пневмовинтового секунд движение становит- конвейера: 1 – кожух;
2 – загрузочный ся устойчивым. Из уравне- бункер;
3 – шнек;
4 – вал;
5 – подшип ний исключаются силы ники;
6 – вентилятор;
7 – трубопровод;
8 – заслонка;
9 – механизм привода;
инерции. Система принима- 10 – электродвигатель;
11 – механизм ет вид двух уравнений, поз- управления заслонкой воляющих определять реак ции и другие входящие параметры. В загрузочном устройстве вертикального винтового конвейера движение принять устано вившимся нельзя, т. к. постоянно поступают новые частицы груза.
На частицу сыпучего груза, находящуюся на винтовой по верхности в загрузочном устройстве действуют (рис. 2): сила тя жести Fg, направленная вдоль оси вертикального шнека, и реак ция N со стороны винтовой поверхности, направленная по нор мали к ней;
центробежная сила инерции Fцб, направленная пер пендикулярно оси шнека, т. е. горизонтально;
сила трения Fтр ча стицы по поверхности винта и тангенциальная сила инерции Fи.
Две последние силы, а также составляющая силы тяжести направлены по касательной к винтовой поверхности в точке рас положения частицы груза, т. е. под углом к горизонту. С целью упрощения системы уравнений силу Кориолиса примем малой и из рассмотрения исключим. Сила Fп, действующая на частицу со стороны воздушного потока, будет направлена вдоль оси шнека вертикально вверх. Также с целью упрощения силового анализа примем следующее расположение осей: ось Х направлена по ка сательной к винтовой поверхности в точке А, ось Y – по нормали к ней. Силы Fтр, Fи, Fg'' будут направлены вдоль оси Х, реакция N – вдоль оси Y (Fg''= Fg sin – проекция силы тяжести на ось Х).
Центробежная сила инерции Fцб направлена под углом к плос кости ХАY.
Равнодействующая всех сил по осям:
Fтр + Fи + Fg''+ Fцбсоs соs – Fпsin = Rsin ;
(1) N + Fцбсоs sin + Fпcos = Rcos. (2) Решая совместно уравнения (1) и (2) и раскрывая входящие силы, можно опреде лить тангенс угла на клона равнодействую щей. Уменьшение чис лителя и увеличение знаменателя приводят к уменьшению танген са и самого угла. По ворот равнодействую щей к оси увеличивает число захватываемых Рисунок 2 – Схема сил, действующих на ча- частиц груза:
стицу в загрузочном устройстве при наличии всасывающего воздушного потока, направленного внутрь кожуха mgf 'mamg sin mr 2 cos cos Apв sin tg =, mg cos mr 2 cos sin Apв cos (3) где m – масса частицы, f' – коэффициент трения частицы о винт, a – ускорение частицы, – угловая скорость шнека, r – радиус вращения частицы на винтовой поверхности, A – пло щадь поверхности частицы, мм2;
pв – разрежение, создаваемое воздушным потоком, Н/мм2;
– угол наклона винтовой по верхности.
Производительность пневмовинтового конвейера Qвин:
К k k Dвин Q вин = вп п р, 8 (4) вп п где К – коэффициент влияния воздушного потока;
k – диф р ференциальный коэффициент производительности;
k – коэф фициент шага, равный отношению шага винта к его диаметру;
вин – плотность зерна;
D – диаметр винта.
вп Физическая сущность коэффициента К заключается в от ражении влияния всасывающего воздушного потока на захват груза винтовой поверхностью и последующее заполнение межвиткового пространства.
Мощность Р для привода пневмовинтового конвейера бу дет определяться мощностью для вращения шнека Рш и мощ ностью привода вентилятора Рв:
Р = Рш + Рв. (5) Мощность Рш привода шнека пневмовинтового конвейера:
' Рш = 0,5 D вин [Z(Fтр+Fи +Fg''+Fцбсоs соs – Fпsin ) – – ZтFтрк ]cos /sin, (6) ' где D вин – условный средний диаметр винтовой поверхности;
Z – полное число витков шнека;
Zт – число витков винта в транспортной части.
Мощность, необходимая для привода вентилятора:
Рв = Qv [(1– )hз +0,5вв2(1 + Квх + Квшв + + Кр + К(1 + Кс) Н/D) +рв]/, (7) где Qv – расход воздуха по объему, м 3/c;
– пористость слоя зерна;
hз – высота слоя зерна в загрузочном устройстве, м;
в – плотность воздуха, кг/м3;
в – скорость воздушного потока, м/c;
Квх – коэффициент сопротивления на входе в кожух шнека в загрузочном устройстве;
Квш – коэффициент сопротивления витка шнека;
в – количество витков шнека;
Кр – коэффициент сопротивления в разгрузочном устройстве;
К – коэффициент сопротивления трению о кожух и винтовую поверхность;
Кс – коэффициент, зависящий от концентрации смеси и физико-ме ханических свойств груза;
Н – высота подъема, м;
– КПД привода.
Подставляя значения Рш и Рв в выражение (7), получили значение полной мощности пневмовинтового конвейера.
Энергоемкость пневмовинтового конвейера:
Е = P/Qвин. (8) Подставляя выражения мощности и производительности в формулу (8), получили выражение энергоемкости пневмовин тового конвейера.
По полученным аналитическим выражениям были по строены теоретические зависимости производительности и энергоемкости от коэффициента шага для различных значений угловой скорости (рис. 3).
а б Рисунок 3 – Теоретические зависимости производительности (а) и энергоемкости (б) пневмовинтового конвейера от коэффициента шага винта при угловых скоростях: 1 = 68 рад/c;
2 = 80 рад/c;
3 = 92 рад/c;
4 = 104 рад/c;
5 = 116 рад/c В третьей главе «Программа и методика эксперименталь ных исследований» изложены программа проведения эксперимен тальных исследований и производственных испытаний с описанием используемых приборов и устройств, а также методика проведения опытов и обработки полученных данных.
В качестве критериев оптимизации на основании теоретических исследований были выбраны: производительность установки по подъему зерна;
суммарная мощность, необходимая для привода шнека и вентилятора;
энергоемкость подъема зерна. Программа ис следований включала в себя серию двухфакторных экспериментов.
Изучали влияние на критерии оптимизации конструктивно-техно логических параметров: шага шнека и его диаметра или зазора во взаимосвязи с угловой скоростью.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты исследований физи ко-механических свойств зерна (рожь и горох) и влияния конструктивных и режимных параметров пневмовинтового конвейера на его производительность, приводную мощность и энергоемкость. Получены регрессионные модели, описываю щие влияние шага шнека, зазора между шнеком и кожухом, угловой скорости на вышеназванные критерии оптимизации.
Исследования были проведены как с включением пневмоси стемы, так и без нее.
Уравнение регрессии, описывающее зависимость произ водительности установки от шага шнека и угловой скорости:
Q = –0,0001192 + 0,028359 – 4,16666Kp2 + + 8,757223Kp – 5,013296;
(9) от зазора и угловой скорости:
Q = –0,000114 2 + 0,027748 – 0,011083t2 – – 0,01825t – 0,289672. (10) Уравнения (9) и (10) удовлетворяют условию адекватности описания экспериментальных точек по критерию Фишера.
Графически в виде поверхностей отклика данные уравнения представлены на рис. 4.
а б Рисунок 4 – Зависимости производительности пневмовинтового конвейера:
а – от угловой скорости и шага шнека;
б – от зазора и угловой скорости шне ка при скорости воздушного потока 7,5 м/c (груз – зерно ржи) Анализ уравнений регрессии (9), (10) и соответствующих им поверхностей отклика (см. рис. 4) показал, что всасываю щий воздушный поток смещает область оптимума в сторону больших значений и Кр по сравнению с обычным винтовым конвейером. С увеличением угловой скорости до 76,1 рад/c производительность растет во всем исследуемом диапазоне, однако с дальнейшим ее увеличением интенсивность роста снижается. С возрастанием с 55,7 до 76,1 рад/c при Кр = 0, Q увеличивается с 0,71 до 0,9 кг/с, т. е. на 27 %, а с 94,2 до 112,6 рад/c – с 1,06 до 1,15 кг/с, т. е. только на 8 %.
Влияние шага винта на производительность с пневмоси стемой имеет оптимум, до которого Q увеличивается и за ко торым она снижается. Увеличение зазора с 5 до 7 мм при угло вой скорости 94,2 рад/c приводит к снижению производитель ности вертикального пневмовинтового конвейера с 0,93 до 0,64 кг/c. Наибольшее значение производительности Q = 1, кг/c получено при при t = 2 мм и = 112,6 рад/c.
Аналогичные результаты получены для значительно отли чающегося по физико-механическим свойствам зерна гороха.
Уравнения регрессии имеют вид:
Q = –0,0001432 + 0,031534 – 10,81439Kp2 + + 21,61678Kp – 11,31131;
(11) Q = –0,0001092 + 0,026423 – 0,010042t2 – – 0,012625t – 0,321637. (12) Графически данные уравнения представлены на рис. 5.
а б Рисунок 5 – Зависимости производительности пневмовинтового конвейера:
а – от угловой скорости и шага шнека;
б – от угловой скорости и зазора (зерно гороха) Всасывающий воздушный поток увеличивает оптимальное значение коэффициента шага и для зерна гороха до Кр = 1,07...1,1.
Так, увеличение коэффициента шага с 0,77 до 0,88 при угло вой скорости 94,2 рад/c увеличивает производительность с 0,74 до 0,93 кг/с (на 25,7 %). Увеличение коэффициента шага с 1,07 до 1,18 вызывает снижение производительности пневмо винтового транспортера с 1,14 до 1,04 кг/с (на 8,8 %).
Так же, как и для зерна ржи с увеличением угловой скоро сти производительность растет во всем исследуемом диапазо не. Однако при меньших угловых скоростях (до 76…80 рад/c) рост производительности более интенсивный. Такая зависи мость связана с тем, что с ростом угловых скоростей, несмот ря на всасывающий воздушный поток, увеличивается отбрасы вающее воздействие восходящей ветви шнека и центробежной силы.
Полученные результаты достоверно показали увеличение производительности для двух значительно отличающихся по физико-механическим свойствам грузов – зерна ржи и зерна гороха. Увеличение производительности при оптимальных па раметрах составило: для ржи – 30 %, для гороха – 27,7 %.
По экспериментальным данным для производительности и мощности, необходимой для привода, получены значения изме нения энергоемкости в зависимости от конструктивных и режим ных параметров. Энергоемкость показывает затраты энергии на единицу перемещаемого груза и является важнейшим качествен ным критерием оптимизации, позволяющим оценивать эффек тивность использования предлагаемой машины.
Уравнения регрессии для зерна ржи, описывающие изме нение энергоемкости Е вертикального пневмовинтового кон вейера в зависимости от шага винта, зазора между наружной кромкой винта и кожухом и угловой скорости шнека:
E = 0,1129062 – 19,10472 + 3606,061Kp2 – – 7339,759Kp + 5176,69;
(13) E = 0,2276732 – 41,98657 + 35,63917t2 – – 205,0825t + 2670,982. (14) Адекватность полученных уравнений экспериментальным данным проверена по критерию Фишера. Графические интер претации в виде поверхностей отклика представлены на рис. 6.
а б Рисунок 6 – Зависимости энергоемкости пневмовинтового конвейера:
а – от шага и угловой скорости шнека;
б – от зазора между винтом и кожухом и угловой скоростью (зерно ржи) Анализ полученных уравнений и соответствующих им по верхностей отклика показал наличие области оптимума по ми нимуму энергозатрат в зависимости от шага и угловой скоро сти винта пневмовинтовой установки. Подача всасывающего воздушного потока при включении в работу пневмосистемы сме щает область оптимума в сторону больших значений исследуе мых параметров. Минимальное значение энергоемкости при ра боте с зерном ржи достигается при значениях угловой скорости 93…97 рад/c, т. е. оптимальное значение увеличивается на 14, %. Оптимальное значение коэффициента шага также увеличива ется до 1,01…1,05 (на 32 %). Минимальная энергоемкость со ставляет 621 Дж/кг. Снижение энергоемкости связано с ростом производительности при увеличении шага винта и с тем, что вса сывающий воздушный поток уменьшает количество зерна, про сыпающегося по винтовой поверхности под действием силы тя жести обратно вниз. В проведенных исследованиях минималь ный зазор составлял 2 мм. Его увеличение во всех случаях при водило к росту энергоемкости. При = 94,2 рад/c увеличение зазора с 2 до 5 мм вызывало рост энергоемкости без пневмоси стемы с 574,3 до 794,1 Дж/кг, с пневмосистемой – с 523,8 до 666,7 Дж/кг.
Таким образом, подача всасывающего воздушного потока позволяет не только увеличить производительность вертикаль ного транспортирования зерна, но и снизить энергоемкость на 5,3 %.
Аналогичная физическая картина установлена и для зерна гороха. Уравнения регрессии имеют вид:
E = 0,1361632 – 23,69675 + 3448,864Kp2 – – 7074,908Kp + 5347,727;
(15) E = 0,2887922 – 53,2776 + 41,26833t2 – – 225,57t + 3285,768. (16) Графическая интерпретация данных уравнений представ лена на рис. 7.
а б Рисунок 7 – Зависимости энергоемкости пневмовинтового конвейера:
а – от шага и угловой скорости;
б – от зазора и угловой скорости винта (зерно гороха) Минимум энергоемкости, согласно экспериментальным данным, достигается при угловой скорости 92…95 рад/c и ко эффициенте шага 1,03…1,07. Эти значения можно считать оп тимальными для работы пневмотранспортной установки при вертикальном подъеме зерна гороха. Как уменьшение, так и увеличение данных параметров приводит к росту энергоемко сти подъема зерна.
Анализ полученных результатов показывает, что мини мальная энергоемкость с пневмосистемой меньше минималь ной энергоемкости без пневмосистемы, т. е. обычного верти кального шнека. При подъеме зерна гороха минимальная энер гоемкость с пневмосистемой составила 615,7 Дж/кг, без пнев мосистемы – 665 Дж/кг.
В пятой главе «Производственные испытания и технико-экономическая эффективность» приведены результаты внедрения и расчет экономической эффективности применения пневмовинтового конвейера.
Производственные испытания пневмовинтового конвейера были проведены в КХ «Возрождение» Духовницкого района Саратовской области. Предлагаемый конвейер имел конструк тивные и режимные параметры, установленные теоретически ми и экспериментальными исследованиями.
При использовании вертикального пневмовинтового кон вейера в сравнении с существующим вертикальным винтовым конвейером при транспортировании зерна был получен годо вой экономический эффект 41,076 тыс. руб.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Анализом литературных источников и существующих исследований винтовых конвейеров и комбинированных устройств на их основе установлено, что основной причиной недостаточной эффективности вертикальных шнеков является низкое заполнение межвиткового пространства грузом, кото рое составляет 0,1…0,2 от геометрического объема. Увеличе ние заполнения межвиткового пространства шнека достигает ся подачей всасывающего воздушного потока в кожух транс портера, благодаря чему за счет «пневмоподпора» увеличива ется производительность, снижается сопротивление верти кальному транспортированию и энергоемкость.
2. Теоретическими исследованиями получены математиче ские модели процессов захвата зерна шнеком в загрузочном устрой стве и последующего транспортирования и установлено влияние конструктивных и режимных параметров пневмовинтового транс портера на производительность, приводную мощность и энергоем кость. Предлагаемый вертикальный пневмовинтовой конвейер по отношению к вертикальному винтовому конвейеру увеличивает производительность на 30–35 %, при этом снижает энергоемкость транспортирования зерна на 5–10 %.
3. Экспериментальными исследованиями установлены зависимости и регрессионные математические модели произ водительности, приводной мощности и энергоемкости верти кального транспортирования зерна гороха и ржи от угловой скорости шнека, величины всасывающего воздушного потока, шага шнека и зазора между наружной кромкой винта и кожу ха. Наибольшая производительность при скорости всасыва ющего потока воздуха 9 м/c как для зерна ржи, так и для зерна гороха достигается при коэффициенте шага винта kр = = 1,07...1,1 и зазоре между винтом и кожухом, равном 2 мм.
Оптимальная угловая скорость шнека по производительности составила 112,6 рад/c. При указанных параметрах производи тельность пневмовинтового конвейера возрастает по сравне нию с обычным шнеком при работе с зерном ржи на 30,8 %, при работе с зерном гороха – на 27,7 %.
4. Наименьшая энергоемкость вертикального транспортиро вания зерна ржи пневмовинтовым конвейером достигается при угловой скорости 93…97 рад/c, что на 14–17 % выше опти мальной угловой скорости винтового конвейера;
при коэффи циенте шага kр = 1,01…1,05, что на 30–35 % выше, чем для обыч ного винтового конвейера;
при минимально возможном зазоре меж ду винтом и кожухом 2 мм. Минимальная энергоемкость для зерна ржи составила 621 Дж/кг. Наименьшая энергоемкость при верти кальном транспортировании зерна гороха достигается при угловой скорости шнека 92…95 рад/c;
коэффициенте шага шнека 1,03… 1,07;
минимальной величине зазора между винтом и кожухом, кото рая для исследуемого пневмовинтового конвейера составила 2 мм.
Минимальная энергоемкость при транспортировании зерна гороха – 615,7 Дж/кг.
5. Производственными испытаниями установлено, что использование предлагаемого вертикального пневмовинтового конвейера по сравнению с существующим вертикальным вин товым конвейером при транспортировании зерна позволяет получить годовой экономический эффект 41,076 тыс. руб. в ценах на 25.08.2009 г., срок окупаемости дополнительных капиталовложений – 1,57 года.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Нестеров, С. А. Исследование движения зерна в канале пневмовинтового конвейера / П. И. Павлов, А. Н. Салихов, С. А.
Нестеров // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.
И. Вавилова. – 2007. – № 4 – С. 54–55 (0,3/0,1 печ. л.).
2. Нестеров, С. А. Исследование влияния забора материала шнеком пневмовинтовой установки на производительность подъема зерна / П. И.
Павлов, А. Н. Салихов, С. А. Нестеров // Вавиловские чтения – 2007 : ма тер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 120-й годовщине со дня рожд. акад. Н. И. Вавилова (26–30 ноября 2007 г.). – Саратов, 2007. – Ч. 3.
– С. 192–194 (0,34/0,16 печ. л.).
3. Нестеров, С. А. Исследование влияния конструктивных па раметров на скорость потока воздуха в пневмовинтовом конвейере / П. И. Павлов, А. Н. Салихов, С. А. Нестеров // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. – 2008. – № 1 – С. 45–46 (0,3/0,1 печ. л.).
4. Нестеров, С. А. Направление исследований пневмовинтовой установки для подъема сыпучих грузов / С. А. Нестеров // Вави ловские чтения – 2008 : матер. Междунар. науч.-практ. конф. – Сара тов, 2008. – С. 169–171 (0,3/0,3 печ. л.).
5. Нестеров, С. А. Исследование влияния шага и угловой скоро сти шнека на производительность пневмовинтового конвейера с зер ном гороха / П. И. Павлов, А. Н. Салихов, С. А. Нестеров // Вави ловские чтения – 2009 : матер. Междунар. науч.-практ. конф. – Сара тов, 2009. – С. 323–324 (0,25/0,09 печ. л.).
6. Нестеров, С. А. Исследование влияния шага и угловой скоро сти шнека на производительность пневмовинтового конвейера / П.
И. Павлов, Е. Е. Демин, С. А. Нестеров // Молодые ученые – агро промышленному комплексу Поволжского региона : сб. науч. работ / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2009. – Вып. 6. – С.
141–145 (0,39/0,16 печ. л.).
7. Пат. 2376233 Российская Федерация, МПК B65G 53/48.
Пневмовинтовая установка для подъема сыпучих грузов / Павлов П.
И., Демин Е. Е., Салихов А. Н., Нестеров С. А., Кузнецов А. В. ;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – № 200819807/11 ;
заявл. 19.05.2008 ;
опубл. 20.12.09, Бюл. № 35.
8. Нестеров, С. А. Обоснование оптимального шага верти кального пневмовинтового конвейера / П. И. Павлов, Е. Е. Де мин, С. А. Нестеров // Вестник Саратовского госагроуниверсите та им. Н. И. Вавилова. – 2010. – № 2 – С. 38–41 (0,37/0,13 печ. л.).
Подписано в печать 18.11.10 Формат 6084 1/ Печ. л. 1,0 Тираж 100 Заказ