Обоснование режимных и конструктивных параметров вертикального винтового конвейера

На правах рукописи

Олигов Юнус Баширович ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВИНТОВОГО КОНВЕЙЕРА Специальность: 05. 05. 04 – «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии»

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Рудь Александра Владимировна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Хазанович Григорий Шнеерович;

доктор технических наук, профессор Адигамов Касьян Абдурахманович

Ведущая организация: Белгородский государственный технологический университет имени В.Г.Шухова, г. Белгород

Защита диссертации состоится _2012 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д.212.304.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132, 149 ауд. главного корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

Автореферат разослан «» _2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.С. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Транспортирование порошкообразных, зернистых и пылевидных материалов - одна из главных задач во многих технологических процессах в различных отраслях промышленности.

Применяемое для транспортирования оборудование весьма разнообразно, одним из распространенных видов является вертикальный винтовой конвейер.

Вертикальные винтовые конвейеры, наряду с такими достоинствами как простота конструкции, непрерывность транспортирования, герметичность, возможность транспортирования пылящих и остропахнущих грузов, имеют существенный недостаток – материал, кроме поступательного движения в направлении оси конвейера, совершает вращательное движение в направлении окружной скорости шнека, что снижает производительность конвейера и повышает энергозатраты, а также в некоторых случаях негативно воздействует на конечный продукт.

Анализ литературных источников показал, что работы в области повышения эффективности функционирования вертикальных винтовых конвейеров путем расчета и выбора оптимальных значений их конструктивных и режимных параметров, опираются на описании движения частицы материала. При таком способе описания движения материала, данные полученные в ходе теоретического исследования не соответствуют данным полученным при лабораторных испытаниях.

Возникает задача повышения эффективности функционирования вертикальных винтовых конвейеров путем расчета и выбора оптимальных значений их конструктивных и режимных параметров. В диссертации рассмотрена возможность повышения эффективности функционирования вертикального винтового конвейера путем выбора угла наклона образующей шнековой лопасти от оси шнекового вала к периферии при различных значениях угловой скорости. Для этого необходимо математическое описание процесса движения потока материала в вертикальном винтовом конвейере с учетом влияния режимных и конструктивных параметров конвейера, и свойств транспортируемых грузов на форму поперечного сечения потока материала и удельные энергозатраты.

Соответствие диссертации научному плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления: «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 1.03.2006 г., по госбюджетной теме: П3 – «Повышение эффективности технологических и транспортирующих машин промышленности строительных материалов».

Цель работы. Повышение технико-экономических показателей процесса вертикального винтового транспортирования путем выбора угла наклона образующей шнековой лопасти при различных значениях угловой скорости.

Идея работы заключается в повышении производительности вертикального винтового конвейера за счет увеличения площади поперечного сечения потока транспортируемого груза, которое достигается посредством выбора угла наклона образующей шнековой лопасти при различных значениях угловой скорости.

Методы исследования: Теоретический анализ влияния угла наклона шнековой лопасти на площадь поперечного сечения потока транспортируемого материала в винтовом конвейере с изменением угловой скорости проведен с использованием дифференциального и интегрального исчисления, методов механики сыпучей среды и теоретической механики, механики грунтов, математического моделирования. Лабораторные и промышленные испытания проведены с применением электрических методов измерения параметров.

Научные положения, выносимые на защиту:

- установлена зависимость производительности вертикальных винтовых конвейеров от скорости вращения шнека и угла наклона образующей шнековой лопасти при транспортировании сыпучего материала, в которой угол наклона образующей шнековой лопасти обеспечивает более высокую кратность приращения производительности, чем кратность приращения скорости вращения шнека;

- установлены соотношения между углом наклона образующей шнековой лопасти и геометрическими характеристиками потока материала: формой и размерами поперечного сечения потока материала, радиусом пересечения свободной поверхности с лопастью шнека, объемом элементарного сектора материала и координатой его центра масс, а также угловой скоростью вращения шнекового вала;

- разработана математическая модель движения потока материала, на основе которой реализуются экстремальные значения удельных энергозатрат процесса транспортирования при заданных конструктивных и режимных параметрах вертикального винтового конвейера, за счет обоснованной в работе величины угла наклона образующей винтовой лопасти при различных значениях угловой скорости.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы основывается на применении комплекса современных методов исследований: анализ и научное обобщение выполненных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросу, дифференциальное и интегральное исчисление;

применение современных вычислительных методов, и подтверждается достаточным объемом экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований. Отклонение экспериментальных значений от теоретических не превышает 9%.

Научная новизна состоит в том, что:

получена система уравнений движения реального потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере, образующая лопасти которого расположена под углом к горизонту, отличающаяся тем что, учитываются геометрические характеристики поперечного сечения потока, позволяющая исследовать влияние конструктивных и режимных параметров конвейера на эффективность процесса транспортирования;

разработана математическая модель для определения влияния угла наклона образующей винтовой лопасти от оси шнекового вала к периферии на величину удельных энергозатрат при различных значениях угловой скорости с учетом геометрических характеристик движущегося в винтовом конвейере потока материала: формы и размеров поперечного сечения потока материала, координаты пересечения свободной поверхности с лопастью шнека, объема элементарного сектора материала и координаты его центра масс;

разработаны метод, математическая модель и программа выбора рациональных конструктивных и режимных параметров вертикального винтового конвейера, учитывающие геометрические характеристики поперечного сечения потока транспортируемого материала, с учетом налагаемых на параметры ограничений и критерия оптимизации.

Значение работы. Н а у ч н о е значение работы состоит в установлении закономерностей движения потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере, образующая лопасти которого имеет наклон от оси вала к периферии, определении влияния на эти закономерности физико механических свойств транспортируемых материалов, конструктивных и режимных параметров конвейера, и разработке аналитического аппарата, учитывающего взаимодействие потока транспортируемого материала с поверхностями рабочих органов конвейера и позволяющего обоснованно выбирать рациональные конструктивные и режимные параметры вертикального винтового конвейера.

П р а к т и ч е с к о е значение работы заключается в том, что ее результаты, математическая модель, алгоритм и программа, используемые при выборе конструктивных и режимных параметров вертикального винтового конвейера, образующая лопасти которого расположена под углом к горизонту, создают основу для проектирования и создания высокоэффективных транспортирующих машин, применяющихся во многих технологических процессах в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Реализация результатов работы Результаты исследований в н е д р е н ы - на заводе по производству газобетонных блоков ООО «КСМ-2000»;

- на заводе ШРМЗ ОАО «Ростовшахтострой».

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и получили одобрение на научно-практических конференциях Шахтинского института ЮРГТУ (2007 - 2011 г.г.), на IV международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-2009», (Нальчик, 2009), на VIII Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2008), II Международной научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НПИ) «Перспективы развития Восточного Донбасса» (Новочеркасск, 2007), V Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2009) Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 печатных работ, в том числе 2 работы в издании, рекомендованном ВАК РФ, и 6 работ – в материалах Международных и Всероссийских конференций.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 95 наименования и приложений, изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и идея работы, указана научная новизна, практическая ценность, приведены сведения об апробации работы и основные научные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе представлен анализ условий эксплуатации винтовых конвейеров и разнообразие их конструктивных особенностей. Приведен обзор работ по исследованиям закономерностей взаимодействия рабочих органов с различными материалами в вертикальных винтовых конвейерах, шнековых питателях и других технологических и транспортирующих машинах со шнековыми рабочими органами.

Установлению новых закономерностей, зависимостей, описывающих процессы взаимодействия рабочих органов погрузочных и транспортирующих машин различных конструктивных типов с сыпучим материалом, посвящены работы многих известных ученых: докторов технических наук Г.М. Водяника, Г.Ш. Хазановича, П.А. Михирева, Ю.И. Михайлова, Ю.М. Ляшенко, А.С.

Носенко, А.Б. Филякова;

кандидатов технических наук: С.И. Носенко, И.Ф.

Рюмина, В.Д. Ерейского, В.Г. Полежаева, Р.В. Каргина и других. Большинство работ направлено на разработку аналитического аппарата для определения зависимости сопротивления внедрению различных рабочих органов в сыпучую и кусковую среду от их конструктивных и режимных параметров.

Необходимо отметить работы авторами которых являются К.А.

Адигамов, Г.В. Черненко, которые занимались исследованием влияния угла наклона шнековой лопасти на процесс транспортирования, с помощью описания движения частицы материала. Такой процесс описания не дает точных выходных данных, результаты полученные в ходе теоретического и экспериментального исследования не совпадают, что приводит к применению поправочных коэффициентов.

Исследованием механики и кинематики движения различных материалов при взаимодействии с рабочими органами вертикального винтового конвейера занимались многие ученые. Движение зернистых, порошкообразных и пылевидных материалов в вертикальных винтовых конвейерах Башкатов Б.Н., Белецкий В.Я., Боголюбский К.А., Григорьев А.М., Катанов Б.А., Лихарев Б.В., Мурашев В.И., Никифоров М.Е., Преображенский П.А., Штуков Н.К., Bottcher S. рассматривают как движение дискретной массы. В работах Симилейского Г.М. и Чеботарева П.В. для учета заполнения межвиткового пространства бурового шнека продуктами бурения введены коэффициент наполнения витка шнека и коэффициент учета пути наполнения спирали шнека. Закономерности взаимодействия винтового рабочего органа с мерзлым грунтом установлены Лозовым Д.А. и Мартюченко И.Г.

Во многих теоретических и экспериментальных исследованиях транспортируемый материал рассматривается как сплошная среда, а его движение - как частично поступательное и частично вращательное.

Исключение составляют только горизонтальные тихоходные конвейеры, в которых сыпучие и пылевидные материалы совершают только поступательное движение в направлении оси шнека.

В настоящее время существует математическое описание процесса движения потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере, образующая лопасти которого направлена перпендикулярно оси шнекового вала, учитывающее его геометрические характеристики и влияние на них свойств транспортируемого материала и конструктивных и режимных параметров конвейера, которое приведено в работах Евстратовой А.В.

Для достижения цели диссертационной работы необходимо решение следующих задач:

- разработать математическое описание процесса движения потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере со шнековой лопастью, образующая которой направлена под углом к горизонту, учитывающее влияние конструктивных и режимных параметров конвейера на геометрические характеристики потока;

- разработать математические модели, алгоритм и программу для обоснования режимных и конструктивных параметров конвейера, со шнековой лопастью, образующая которой направлена под углом к горизонту, при различных угловых скоростях, учитывающие физико механические свойства и геометрические характеристики поперечного сечения транспортируемого материала и процессы, протекающие на поверхностях контактов материала с рабочими органами конвейера, с учетом налагаемых на параметры ограничений и критерия оптимизации;

- установить возможность повышения эффективности функционирования вертикальных винтовых конвейеров, со шнековой лопастью, образующая которой направлена под углом к горизонту, при различных угловых скоростях, за счет обоснованного выбора конструктивных и режимных параметров, проведенного на основе разработанного математического описания процесса движения потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере;

- провести экспериментальные исследования и производственные испытания вертикальных винтовых конвейеров со шнековой лопастью, образующая которой направлена под углом к горизонту, при различных угловых скоростях вращения вала, на лабораторной установке и в промышленных условиях.

Во второй главе изложены теоретические положения диссертационной работы.

На основании проведенного анализа свойств зернистых, порошкообразных и пылевидных материалов для исследования закономерностей движения грузов в вертикальном винтовом конвейере применены методы механики сыпучей среды и теоретической механики. Система уравнений, описывающая движение потока материала в вертикальном винтовом конвейере, для частного случая (угол наклона образующей лопасти равен нулю) получена в работе Евстратовой А.В. Рассмотрим вывод системы уравнений, описывающих движение потока материала.

Если выразить силы действующие на частицу материала как произведение давления на площадь, получим систему уравнений для общего случая, описывающую движение потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере, образующая лопасти которого имеет наклон от оси вала к периферии с учетом угловой скорости. Для математического описания процесса формирования потока материала, введены обозначения:

N ш cos Pш S гор;

N ш cos ц. м. Pш S xz S yz ;

N ш sin ц. м. Pш S xz S yz ;

2 2 Nц Pц Sц ;

N шtg cos Pш S yz ;

N шtg R cos Pш S xz ;

где N ш - нормальная реакция лопасти шнека, Н;

f ш - коэффициент трения k материала о лопасть шнека;

R arctg - угол подъема винтовой линии 2R шнека по наружномурадиусу, рад;

k 2Rtg R - шаг шнека, м;

R - радиус лопасти шнека, м;

- угол между образующей лопасти шнека и нормалью к оси шнека, рад;

ц.м. - угол подъема винтовой линии шнека на расстоянии ц. м.

от оси шнекового вала, рад;

- угол между плоскостью лопасти шнека и нормалью к оси шнека arctg tg 2 R tg 2, рад;

Nц- нормальная реакция внутренней поверхности корпуса, Н;

f ц - коэффициент трения материала о стенку цилиндра;

R - угол между вектором абсолютной скорости v частицы материала иосью шнека, рад;

a Rtg R - параметр конвейера, м;

Pш - давление потока материала на лопасть шнека, Па;

Pц - давление потока материала на внутреннюю поверхность корпуса, Па;

Используя известные уравнения равновесия относительно осей x,y,z (рис. 1), получим:

F Pш S xоо f ш Pш S xoz S yoz f ц Pц S ц cos R mVd 0;

0;

2 x F или f ц Pц S ц sin R f ш Pш S xoy S yoz Pш S xoz 0;

0;

2 (1) y sin ц. м. sin ц. м.

m F Vd ц. м.0 0;

0;

Pц S ц Pш S yoz cos( ) z g ц. м.

ц. м.

R2 r R xdx где - площадь проекции сектора лопасти на хоу S r плоскость xoy, м2;

в этой формуле: R - радиус шнековой лопасти, м (рис.1);

х переменная интегрирования, м (рис.1);

- элементарный угол на рабочей поверхности шнековой лопасти, рад (рис.1);

r - радиус пересечения свободной поверхности материала с лопастью шнека, м (рис.1), определяется из уравнений (1) при условии, что на этой линии, материал находится в состоянии предельного равновесия f м0 r 2 cos rRtg R sin g sin r 2 R 2 tg 2 R gf ш gf м tg cos R 0, z R r r x y R Рис.1. Объем материала на секторе шнековой лопасти, образующая которой имеет наклон от оси вала к периферии R hdx h( R r ) R( R r )tg R -площадь проекции сектора xoz S r лопасти с центральным углом на участке от r до R на плоскость хoz, м2;

h Rtg R - шаг шнековой лопасти, м;

- угол между образующей лопасти шнека и нормалью к оси шнека,град (рис.1);

R2 r R xtg dx tg - площадь проекции сектора лопасти с yoz S r центральным углом на участке от r до R на плоскость yoz, м2;

f 2 r g g (1 f 2 ) м ln R r м R - площадь контакта рассматриваемого S 2 R g ц f f 2 2 f м м м элемента материала с внутренней поверхностью корпуса конвейера, м2;

m объемный вес транспортируемого материала, Н/м3;

f м - коэффициент внутреннего трения материала;

0-угловая скорость вращения шнекового вала,с-1 ;

g 9,81м / с2 - ускорение свободного падения;

- угловая скорость абсолютного вращательного движения материала, с-1;

Vd - объем материала, расположенный на секторе лопасти с центральным углом, м3(рис.1). Для определения объема материала Vd, находящегося на секторе шнековой лопасти, используются функции по переменной, путем интегрирования получаем:

1 2 R 3 3R 2 r r tg Vd f 6f м м, (2) ab R 2 r 2 r a a(R r) (R 2 a 2 ) ln R a 2 1 fм g a ;

b где.

f м 2 fм Координата центра масс сектора материала ц.м., м;

определяется по известной формуле, переходя к полярным координатам, получаем:

R dv ( f ( 1 ) f ( 2 )) cosdd ц. м. V 0r R Vd ( f ( 1 ) f ( 2 ))dd 0r 1 f мtg 9R 4 3r 4 12R 3r 2 f м ab[2( R 3 r 3 ) 3a( R 2 r 2 ) 1 f мtg 12R 3 18rR 2 6r ra 6a 2 ( R r ) 6( R 3 a 3 ) ln ] R a (3), ra 9 f м ab[( R r ) 2a( R r ) 2( R a ) ln ] 2 2 2 R a где x 2 y 2 ;

1, 2 - переменные интегрирования, м.

Решение системы (1) дает условие для определения угла ц.м. между продольной осью конвейера и направлением движения центра масс груза для конвейера, образующая лопасти которого имеет наклон от оси вала к периферии ( f ш S xoy S yoz S xoz ) S ц S yoz f ц S ц 2 sin R f ц S ц cos R ( f ш ( S xoy f ш S xoz ) 2 2 2 S xoy S yoz ) f ц S ц S xoy S yoz sin ц. м. sin ц. м.

ц. м. 02 cos( ) (4) g ц. м.

ц. м.

ц. м.

где углы ц.м. и R связаны соотношением tgц. м. tg R.

R Таким образом, установлена совокупность факторов, оказывающих влияние на производительность и потребляемую мощность вертикального винтового конвейера.

В третьей главе разработана математическая модель функционирования вертикального винтового конвейера с измененным углом наклона образующей шнековой лопасти, позволяющая определить рациональные значения конструктивных и режимных параметров, обеспечивающие максимальную производительность конвейера и минимальные удельные энергозатраты в зависимости от свойств транспортируемого материала, с учетом налагаемых на параметры ограничений. Блок-схема алгоритма расчета рациональных геометрических и кинематических параметров рабочих органов конвейера представлена на рис.2.

Основным критерием эффективности при нахождении рациональных параметров приняты удельные энергозатраты транспортирования.

Минимизация и оптимизация удельных энергозатрат транспортирования способствуют решению общей задачи повышения эксплуатационных показателей вертикальных винтовых конвейеров, поскольку позволяют снизить расход электроэнергии, установленной мощности и тем самым снизить стоимость конвейера и уменьшить удельные затраты на транспортирование. Величина удельных энергозатрат зависит от многих факторов, целевая функция имеет вид:

A f (x ), (5) x / x1;

x2 ;

x3;

...;

xi ;

...;

xn / - вектор факторов, влияющих на величину где удельных энергозатрат транспортирования. Оптимизируемыми параметрами являются угол подъема винтовой линии шнековой лопасти, угловая скорость вращения шнекового вала, диаметр шнековой лопасти, угол наклона образующей лопасти.

Варьируемыми параметрами в модели являются: f ш - коэффициент трения материала о шнек, f ц - коэффициент трения материала о корпус конвейера, f м - коэффициент внутреннего трения транспортируемого материала, m - объемный вес транспортируемого материала;

L - длина шнекового вала (высота подъема груза), 0 - угловая скорость вращения шнекового вала, R - радиус шнековой лопасти, угол наклона шнековой лопасти,R –угол подъема винтовой линии на кромке шнековой лопасти.

Для решения задачи оптимизации коструктивных и режимных параметров конвейера разработаны алгоритм (рис. 2) и программа расчета и выбора параметров методом равномерного поиска на языке Visual Basic.

Алгоритм определения рациональных конструктивных и режимных параметров конвейера (рис. 2) представляет собою следующую последовательность операций. Вначале определяются количество витков шнековой лопасти j, угловая скорость шнекового вала 0, координата точки пересечения проекции свободной поверхности материала с лопастью шнека r, площадь проекции сектора лопасти на горизонтальную плоскость S гор, площадь проекции сектора лопасти на вертикальную плоскость Sxoz Далее определяется угол ц.м. между направлением вектора абсолютной скорости центра масс материала и продольной осью конвейера, координата центра масс объема материала, расположенного на секторе шнековой лопасти ц.м., коэффициент выдачи материала k.

Значения вышеприведенных параметров, необходимы для подстановки в уравнения для определения крутящего момента на валу конвейера M кр, мощности N, потребляемой конвейером, и удельных энергозатрат A.

Полученное значение целевой функции записывается в том случае, если оно ниже или не отличается от минимального. Работа программы заканчивается печатью вариантов, в которых получено минимальное значение целевой функции или максимальные значения локальных критериев эффективности.

Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета режимных и конструктивных параметров вертикального винтового конвейера.

S, м Рис. 3. Зависимость площади поперечного сечения потока материала в вертикальном винтовом конвейере от угла наклона образующей лопасти, при следующих угловых скоростях - R =4,6 с-1, - R =5,9 с-1, R =6,4 с-1 ;

а - коэффициенты трения транспортируемого материала о шнек и корпус конвейера f ш f ц 0,3 ;

б коэффициенты трения f ш f ц 0,4 ;

в - коэффициенты трения f ш f ц 0,5.

На рисунке 3 показана зависимость изменения площади поперечного сечения потока материала, в вертикальном винтовом конвейере с измененным углом наклона шнековой лопасти. Из графика (рис. 3) видно что, с увеличением угла наклона образующей шнековой лопасти происходит увеличение площади поперечного сечения потока материала.

В четвертой главе изложены методика проведения и результаты экспериментальных исследований на лабораторной модели и производственных испытаний вертикального винтового конвейера в промышленных условиях комбината строительных материалов ООО «КСМ 2000».

На рисунке 4 приведен график зависимости удельных энергозатрат А, кДж / м 3, от угла наклона образующей шнековой лопасти от оси вала к периферии, при трех различных значениях угловой скорости. Из графика видно, что удельные энергозатраты уменьшаются по мере увеличения угла наклона лопасти до определенных пределов. При этом каждая кривая имеет экстремум, показывающий минимальное значение удельных энергозатрат.

Экстремумы соответствуют значениям угла наклона шнековой лопасти в интервале от 12 до 18 при угловых скоростях от 4,6 с-1 до 6,4 с-1.

А, кДж / м 0=6,4 c- 0=5,9 c- 0=4,6 c-, 5 10 15 20 25 Рис. 4 –Зависимость удельных энергозатрат экспериментальной установки А, кДж / м 3, от угла наклона образующей лопасти,° при различных значениях угловой скорости:

- результаты, полученные в ходе математического моделирования;

- результаты, полученные в ходе экспериментального исследования.

Экспериментальные исследования имели целью проверку правильности основных теоретических положений данной работы и полученных на их основе количественных показателей. Цель производственных испытаний – проверка работоспособности вертикальных винтовых конвейеров с конструктивными и режимными параметрами, определенными на основе математической модели и программы, разработанных в диссертационной работе, в промышленных условиях в течение длительного периода времени и оценка их эффективности по сравнению с базовыми вариантами конвейеров, а также проверка соответствия основных количественных показателей процесса транспортирования материала проектным показателям.

1 Рис. 5. Экспериментальная установка:

Рис.6. Шнековые валы 1 – шнековый вал, 2 – корпус, 3 – входной экспериментальной установки патрубок, 4 – выходной патрубок, 5 приемный бункер, 6 – гибкий рукав, 7 – течка, 8 – емкость, 9 - клиноременная передача, 10 – электродвигатель, 11 – датчик угловой скорости шнекового вала Экспериментальные исследования проводились на лабораторной модели вертикального винтового конвейера (рис. 5). Экспериментальная установка имеет три сменных шнековых вала с различными углами наклона винтовой лопасти (рис. 6). Регулирование угловой скорости вращения шнекового вала осуществлялось посредством изменения передаточного отношения клиноременной передачи привода вала.

Испытания проводились при транспортировании зерна пшеницы, песка (влажность 3 – 5 %) и сухого цемента марки 500;

при трех значениях угловой скорости вращения шнекового вала: 0=6,8 c-1;

0=5,9 c-1;

0=4,6 c-1;

с тремя шнековыми валами, имеющими различные углы наклона шнековой лопасти:

10 ;

15 ;

20.

В каждом опыте измерялись угловая скорость вращения шнекового вала, производительность конвейера и потребляемая мощность.

Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно совпадают с соответствующими результатами компьютерного моделирования (расхождение в пределах 9 %), что подтверждает основные теоретические положения диссертационной работы о возможности снижения энергоемкости вертикального винтового конвейера и повышения его производительности за счет рационального выбора конструктивных и режимных параметров, а также адекватность математической модели реальному процессу движения материала в вертикальном винтовом конвейере, с углом наклона лопасти, отличным от 90°.

Производственные испытания вертикального винтового конвейера со шнековым валом, имеющим угол наклона образующей лопасти и угловую скорость вращения, определенные в результате компьютерного моделирования, показали, что его производительность выше, чем у базового конвейера на 24 %, а удельные энергозатраты ниже на 11 %.

Результаты замеров производительности и мощности, потребляемой конвейером, проводимых ежедневно, в течение 450 часов непрерывной работы конвейера при производственных испытаниях, показали отсутствие "дрейфа" основных количественных показателей процесса транспортирования материала. Производительность и потребляемая конвейером мощность в течение всего срока испытаний оставались постоянными и соответствовали проектным показателям, определенным при компьютерном моделировании.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В диссертационной работе осуществлено решение важной научно технической задачи снижения энергоемкости вертикальных винтовых конвейеров, основанное на определении угла наклона образующей шнековой лопасти с учетом конструктивных и режимных параметров конвейера, а также физико-механических свойств и геометрии потока транспортируемого материала, и подтвержденное результатами экспериментальных исследований и производственных испытаний.

Основные выводы и результаты диссертационной работы следующие.

1. Разработана математическая модель процесса движения потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере, образующая лопасти которого имеет наклон от оси вала к периферии, учитывающая влияние конструктивных и режимных параметров конвейера на геометрические характеристики потока.

2. Установлена возможность повышения эффективности функционирования вертикальных винтовых конвейеров, со шнековой лопастью, образующая которой направлена под углом к горизонту, при различных угловых скоростях, за счет обоснованного выбора конструктивных и режимных параметров, проведенного на основе разработанного математического описания процесса движения потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере;

3. На основании предложенной расчетной схемы процесса вертикального винтового транспортирования потока материала в вертикальном винтовом конвейере определены рациональные значения угла наклона шнековой лопасти при различных значениях угловой скорости, с учетом физико-механических свойств и геометрических характеристик поперечного сечения потока транспортируемого материала:

зерен пшеницы - 17°;

сухого песка (влажность 3-5%), портландцемента марки М500 - 15°;

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность снижения энергоемкости процесса вертикального винтового транспортирования за счет выбора конструктивных и режимных параметров, влияющих на геометрию потока.

5. Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний удовлетворительно совпадают с соответствующими результатами компьютерного моделирования (расхождение в пределах 9 %), что подтверждает адекватность математической модели реальному процессу движения материала в вертикальном винтовом конвейере образующая лопасти которого имеет наклон от оси вала к периферии.

6. Полученные количественные результаты показывают, что вертикальные винтовые конвейеры, выбор конструктивных и режимных параметров (угла наклона образующей лопасти и угловой скорости) которых проведен на основе разработанных математической модели и программы, целесообразно применять при транспортировании зернистых, порошкообразных и пылевидных материалов, так как это приводит к увеличению производительности на 24% и снижению удельных затрат энергии на 11% по сравнению с базовыми конвейерами. Результаты научных исследований внедрены: на заводе по производству газобетонных блоков ООО «КСМ-2000»;

на заводе ШРМЗ ОАО «Ростовшахтострой».

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б. Повышение эксплуатационных показателей вертикального винтового конвейера путем рационального выбора конструктивных и режимных параметров шнекового вала. Известия высших учебных заведений: Северо-Кавказский регион: технические науки, №4,2009.

82-89 с. (0,3 пл./0,2 пл.) Автором установлено влияние угла наклона образующей щнековой лопасти на эксплуатационные показатели вертикального винтового конвейера в зависимости от свойств транспортируемого материала.

2. Рудь А.В., Олигов Ю.Б. Метод выбора рационального угла наклона шнековой лопасти винтового конвейера. Известия высших учебных заведений:

Северо-Кавказский регион: технические науки, №5,2011. 55-57 с. (0,3 пл./0, пл.).

Автором определены формулы для определения параметров винтового конвейера, с учетом налагаемых ограничений и критерия оптимизации, а именно минимизации удельных энергозатрат.

Работы, опубликованные в международных и всероссийских сборниках:

3. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б., Павлов Е.И. Влияние формы внутренней поверхности корпуса шнекового пресса на его производительность.

Перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. по материалам II Международной научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2007.

– С. 113 – 118. (0,3 пл./ 0,2 пл) Автором описано изменение производительности в вертикальном винтовом конвейере, образующая шнековой лопасти которой имеет наклон от оси вала к периферии.

4. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б. Влияние профиля шнековой лопасти напроизводительность вертикального винтового конвейера. Информационно вычислительные технологии и их приложения: Сб. статей VIII Международной научно-технической конференции. – Пенза: РИО ПГСХА, 2008. – С 158 – 161. (0,3 пл./ 0,2 пл.) Автором разработана система уравнений, описывающая движение материалов в вертикальном винтовом конвейере, образующая шнековой лопасти которой имеет наклон от оси вала к периферии.

5. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б. Влияние угла наклона шнековой лопасти на производительность вертикального винтового конвейера. Перспектива -2009:

Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.-Т.IV. -Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2009. С. 38-42 (0,3 пл./ 0,2пл.) Автором установлено влияние угла наклона шнековой лопасти на производительность верткального винтового конвейера.

6. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б., Павлов Е.И. Вертикальный винтовой конвейер с рифленой внутренней поверхностью корпуса. Прогрессивные технологии в современном машиностроении: Сб. статей V Международной научно-техн. конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. 61-68 с.

(0,35 пл./0,25 пл.) Автором установлены геометрические характеристики рифлей внутренней поверхности корпуса.

7. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б., Павлов Е.И. Влияние конструктивных параметров шнековой лопасти вертикальных винтовых конвейеров на его эксплуатационные показатели. Прогрессивные технологии в современном машиностроении: Сб. статей V Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. 68-74 с. (0,3 пл./ 0, пл.) Автором описано влияние конструктивных параметров шнековой лопасти вертикальных винтовых конвейерных на его эксплуатационные показатели.

8. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б., Павлов Е.И. Влияние профиля лопасти шнекового вала на производительность вертикального винтового конвейера.

Перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. по материалам II Международной научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2007.

– С. 119 – 123. (0,25 пл./0,15 пл.) Автором разработана система уравнений, описывающая движение материалов в вертикальном винтовом конвейере, образующая шнековой лопасти которой имеет наклон от оси вала к периферии.

Работы, опубликованные в региональных сборниках:

9. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б. Влияние угла наклона образующей шне ковой лопасти вертикального винтового конвейера на его производительность.

Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 2: Сб. науч. тр. по материалам 57 региональной научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. – С. 177 – 183 (0,3 пл./ 0,2 пл.) Автором разработана система уравнений, описывающая движение материалов в вертикальном винтовом конвейере с учетом физико механических свойств.

10. Евстратова А.В.,Сухарников А.В., Олигов Ю.Б. Определение формы поперечного сечения потока сыпучего материала в вертикальном винтовом конвейере. Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 2: Сб. науч. тр.

по материалам 57 региональной научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. – С. 183 – 186. (0,3 пл./ 0,2 пл.).

Автором определена форма поперечного сечения потока материала в вертикальном винтовом конвейере, образующая шнековой лопасти которой имеет наклон от оси вала к периферии.

11. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б., Павлов Е.И. Модель движения потока материала в вертикальном винтовом конвейере. Перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. Часть 2: Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. 124-126 с. (0,4 пл./ 0,25 пл) Автором проведено исследование модели потока материала в вертикальном винтовом конвейере.

12. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б., Павлов Е.И. Исследование влияния угла наклона шнековой лопасти на удельные энергозатраты вертикального винтового конвейера. Перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч.

тр. Часть 2: Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009.126-130. (0,4 пл./ 0,2 пл.) Автором проведено исследование влияния угла наклона шнековой лопасти на удельные энергозатраты вертикального винтового конвейера.

13. Евстратова А.В., Олигов Ю.Б., Павлов Е.И. Модель движения потока материала в вертикальном винтовом конвейере с рифленой поверхностью корпуса. Перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. Часть 2:

Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск:

ЮРГТУ, 2009. 137-143. (0,6 пл./ 0,4 пл.) Автором разработана система уравнений, описывающая движение материалов в вертикальном винтовом конвейере с рифленой поверхностью корпуса.