CC BY
17МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАПОРНОГО МЕХАНИЗМА ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ
СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Боровский Б.И., Морозов А.Д, Ковалёв А. А., Анисов Д.С., Бородачев В. А.
Академия строительства и архитектуры ФГАОУ ВО«Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», г.
Симферополь, ул. Киевская181.
kovaland59@mail.ru.
Аннотация. Рассмотрены основные расчетные соотношения для определения геометрических и режимных параметров шнекоцентробежного напорного механизма пневмомеханической установки сыпучих материалов.
Ключевые слова: центробежное колесо, лопасть, шнек, шнекоцетробежный напорный механизм, пневмомеханическая установка, экотехника.
Введение
В настоящее время в нашей стране и за рубежом создано много разнообразных дорожныхи строительных машин[2, 5, 6, 7, 9, 10, 11] для переработки сыпучих материалов, но не все они в равной степени удовлетворяют все возрастающим требованиям технической и экологической безопасности.
Наиболее опасны в этом отношении пневмомеханические установки (ПМУ) с консольным шнеком, так как из-за недостатков компоновочной схемы возможно наведение воздушного моста между приемной и смесительной камерами, разгерметизация шнеконапорного механизма, и как следствие, прорывы запыленного воздуха в окружающую среду, что при определенных обстоятельствах может вызвать взрыв пыли.
Использование шнекоцентробежных колес или других шнекороторных рабочих органов в конструкции пневмомеханических установок для сыпучих материалов (например, песок, минеральный порошок, дорожный смет и пр.) позволяет нормализовать картину рабочего процесса в напорном механизме и устранить один из источников пылеобразования.
Предлагается рабочая гипотеза об изменении картины рабочего процесса в напорном механизме ПМУ о том, что сыпучий материал перемещается в каналах шнека и в межлопаточном пространстве центробежного колеса напорного механизма ПМУ подобно течению жидкости в центробежном насосе.
Процессы, происходящие при работе шнекового питателя и центробежного колеса ПМУ, относительно сложны и поэтому их всесторонний учет затруднителен.
Используя огромный научный потенциал в области интенсификации рабочих процессов грунтообрабатывающих и дорожных машин на базе использования различных активизаторов (бульдозерный отвал с роторным метателем, с газовоздушной смазкой, с выступающим шнеком и газоструйной интенсификацией отбрасывания,
шнекороторный, дисковые фрезы, роторные метатели и пр.) накопленный в работах
Баловнева В.И., Баладинского В.Л., Горячкина В.П., Домбровского Н.Г, ЕмельяновойИ.А., Исрафилова Н.А., Кавалерова А.А., Ничке В .В., Хмары Л.А., Холодова А.М., Федорова Д.И.,и других исследователей, а также разработок в области центоробежных насосов для жидкостей Боровского Б.И. и Морозова А.Д в области ПМУ для сыпучих материаловможно предложить уточненные соотношения для расчета потерь энергии в шнекоцентробежномнапорном механизме (ШЦНМ) загрузочной ПМУ.
Основная часть
Наиболее близка к рассматриваемой тематике работа Н.А. Исрафилова, которой мощностьпривода машины с ротационным рабочим органом, ось которого параллельна оси канала, определяется как совокупность нескольких составляющих (обозначения приведены согласно [10], страница 89):
Ыдв =-
Ы + Ыт + N + N + Ыф N
"ф
пф
+-
пер
+-
Ы
Тп
Тро
л.с. (кВт),
где Ыф - мощность на фрезерование; N
N
мощностьна отбрасывание грунта; на преодоление трения грунта о мощность на преодоление
мощность лопатку; Ыпф -неучтенных
сопротивлений; N пер , Ып -
мощность на подъем
грунта и привод подъемных механизмов; ]] ро = 0,6 -0,7- к.п.д. привода рабочего органа; ]]пр - к.п.д.
перемещения; Т]п - к.п.д. подъема груза и привода
подъемных механизмов.
Проведем анализ формулы мощности. При определении составляющей фрезерования представляет интерес соотношение для определения толщины стружки и глубины погружения рабочего органа.
NФ =
Я х к х к'х V,
кВт,
1965600
где Я - радиус фрезы, м; к = Рн/(с X к') -удельное сопротивление фрезерованию, н/см2; с -наибольшая толщина стружки грунта; к' - глубина
фрезерования, м; V, - скорость фрезерования, м/ч.
Составляющая мощности на отбрасывание грунта учитывает взаимосвязь угловой частоты вращения рабочего органа и скорости движения машины.
£хV, хуг ха>2 хЯ2
*от =--, кВт,
70560000
где £ - площадь углубленной в грунт части фрезы, м2; уг -удельный вес, кг/м3.
В формуле составляющей мощности на преодоление трения грунта о лопатку вводится коэффициент трения и времени движения частицы грунта по лопатке.
* = £хVкхIхУгхк'хаД х&хкя кВт л 35280000 ' '
где VR - относительная скорость частицы
грунта в конце лопасти, м/с; ал - коэффициент,
учитывающий время пребывания частицы грунта на лопатке.
При определении затрат энергии на трение грунта о кожух учитывается путь трения грунта о кожух и концентрация частиц.
* = £ х V, х I хуг ха>2 х Я2 хаВ х е0 х е1
Т = 35316000 ,
кВт,
где аВ - угол, соответствующий дуге внутренней поверхности кожуха, где происходит трение; Е0 - коэффициент, учитывающий расположение центра тяжести объема грунта на лопасти; Е1 - коэффициент,учитывающий концентрацию частиц внутри кожуха.
Неучтенные потери энергии связываются с высотой центра тяжести вырезаемого сечения грунта, который задается приближенно.
= £х VK хуг х(н0 -2/3к') 3600000
где Н - высота подъема грунта, м; Н 0 -высота центра тяжести направляющего раструба кожуха, м; 2/3к' - приближенно высота центра тяжести вырезаемого сечения грунта.
Составляющая мощности на передвижение машины определяется традиционно.
Ж хК
*пер =-—, кВт,
пер 3600000
N пф =■
кВт,
где Ж - суммарное тяговое сопротивление. В предлагаемой методике потребную мощность можно определить как сумму мощностей одного или двух шнеков и центробежной части:
N = 2 N. + N..
где
' ц / б '
N. - мощность одного шнека, кВт;
N ц / б - мощность центробежной части.
Рис. 1. Схема шнекоцентробежного напорного механизма.
1 - шнек; 2 - вал шнека; выходная кромка лопасти шнека; 4 - центробежного колеса; 5 - диск центробежного колеса; 6 - спиральный отвод; 7 -коническй диффузор.
Рассмотрим определение мощности центробежной части, как сумму следующих составляющих: на увеличение окружной скорости
потока (Nи), на трение цемента о две поверхности
диска и трение цемента о цемент, находящийся в
осевом зазоре между лопастями и корпусом (2Nдц),
на трение цемента о внутренние поверхности
спирального отвода( Nотв):
N = N + 2N + N
1У 1У и ^ дц ^ 1У отв .
Мощность определяется соотношением
Ыи - тС2ии2
где т - массовая производительность, кг/с. Трение цемента о поверхности диска зависит от давления. Для определения изменения давления по радиусу диска воспользуемся уравнением изменения количества движения в радиальном направлении [4], (рис.2).
Сг+с)Сг
Сг+с1Сг
Р+Ф—4
РА Тгцг^Ггс)
2 /
Рис.2. Определение изменения давления по радиусу центробежного колеса: 1- диск центробежного колеса; 2 - лопасть. Расчет геометрических параметров центробежного колеса.
1.1 Внутренний диаметр колеса рис.3.
А = + 24
где = 1. . .5 мм.
1.2 Ширина лопастей колеса.
А - й2
Ь1 =-
4х(( -281)
1.3 Угол потока на выходе из шнека .
Си
№ -
и1 - с1и
1.5 Радиальная составляющая абсолютной скорости потока при входе на лопасть .
с, - е /(жх а х \)
1.6 Окружная составляющая абсолютной скорости потока при выходе на лопасть .
+ й.
с - с х
2 иср Л
2 Д
1.7 Окружная составляющая абсолютной скорости потока на среднем диаметре шнека .
С2иср - иср - С2г х СШР2ср
1.8 Осевая составляющая скорости потока в шнеке .
с 2, - 4евых1 ЖА - й ]))
1.9 Окружная скорость на среднем диаметре .
иср -Жх Аср х П/60
1.10 Угол потока на среднем диаметре .
Р + * 2 ШАш + й в ))
1.11 Количество лопастей.
Принимаем Ъ = 4. . . 6.
1.12 Наружный диаметр колеса.
В2-(2 ■ 3)х А
1.13 Угол прямолинейных лопастей на выходе центробежного колеса .
С0® Р2п - А1
где А1 - АА2 - относительный диаметр центробежного колеса.
1.14 Окружная скорость на выходе центробежного колеса.
и2 -жх А2 X п/60
1.15 Окружная составляющая абсолютной скорости при бесконечном числе лопастей (см.рис.4).
С2™ - и2
'2г<ю - и2 С2гСЕРп
на
выходе
1.16 Радиальная скорость центробежного колеса .
С2г - Оеых!ЖХ А Х Ь1
1.17 Действительная окружная составляющая .
С2г - ХХ С2гю
из
Рис. 3. Треугольник скоростей на входе в центробежное колесо.
1.4 Окружная скорость на среднем диаметре колеса .
и1 -(жх А1 х п)/60
Рис.4. Треугольник скоростей на выходе центробежного колеса.
1.18 Коэффициент влияния конечного числа лопастей.
Х = 1/1 + Рг где Рг = 1,2 x (1 + sin /32лп )/z 1 - (DjD2 )2 [
2. Потребная мощность шнекоцентробежного напорного механизма.
2.1 Общая потребляемая мощность.
N = 2 N ш + Nц / в
2.2 Мощность центробежной части .
N = 2N + 2N + N
1У ^1Удц^ 1Уотв
2.3 Мощность на увеличение окружной скорости потока .
Nu = m X C2u X U2
где m - массовая производительность, кг/с.
2.4 Мощность на трение цемента о цемент и о две поверхности диска .
Nd4 =(2nx(fi + f )х Pp )x
C '2
Mu
r2 - r2 C - C r3 - r3 (C - C )r
'2 '1 , 2u 1u .. '2 '1 V 2u 1u / 1
2
3
2
(r2 + r)
2.5 Мощность на трение цемента о внутренние поверхности спирального отвода .
N = ¥ С
отв Л1 ср отв иоот
2.6 Скорость в отводе.
с = ( 2 г + Сг ))2
3. Параметры отвода, сборника и диффузора.
3.1 Площадь горловины спирального сборника.
Fr = Q\Cr
3.2 Скорость в горловине спирального сборника .
0,6...0,7 = Сг/ C2u
3.3 Скорость на выходе из конического диффузора .
C = C = C
вых 2 \ 2
3.4 Ширина отвода.
,2 + C 2
2ucp 2 z
Ьд §
где д - ширина диска; ^ - величина зазора между лопастью центробежного колеса и стенкой улиткообразного корпуса.
3.5 Поверхность отвода.
¥ = ¥ + ¥
отв сб диф
3.6 Поверхность спирального сборника.
¥сб = 2 хЯх(г2 + 0,5 х кг )х(кг + Ьотв )
3.7 Эквивалентная высота горловины.
кг = ¥г /Ь
Г ГI отв
3.8 Средняя высота спирального сборника.
кСр = кг/ 2
3.9 Средний радиус сборника.
Яср = г2 + кг /2
3.10 Площадь выхода из конического диффузора.
¥вых QвыхlСвых
3.11 Длина конического диффузора.
Евых - dг ,
/2)
1диф
2
Ьотв = Ь + Ьд + 25
3.12 Диаметр выхода конического диффузора.
°вых =л/4 (ях ¥вых )
3.13 Эквивалентный диаметр горла конического диффузора.
d г = ^ 4 ¥г /я
3.14 Поверхность диффузора.
¥диф = 0,25(ях Бых + Ь х кг )х
х(°еьх - dГ (Э /2)
Пример расчета по предложенной методике приведен в таблице №1 «Пример расчета» и схема рассчитанного шнекоцентробежного напорного механизма (ШЦНМ) экологически безопасной пмевмомеханической установки (ПМУ) сыпучего материала на рис.4.
Рис. 5. Схема ШПЦ экологически безопасной ПМУ.
1 - электродвигатель; 2 - муфта; 3 - шнек; 4 - центробежное колесо; 5 - центробежного колеса; 6 -подрезающий нож; 7 - обратный клапан; 8 - отвод; 9 - смесительная камера.
х
r2 - r1
Таблица 1. Последовательность расчета ШПЦ ПМУ.
№ п/п Наименование параметра Обозначение Размерность Величина Примечание
1 2 3 5 6 7
Исходные данные
1 Производительность П т/ч 200
2 Материал Т т/м3 1,15 Цемент
3 Ориентировочная частота вращения шнека п об/мин 1000
4 Давление в смесительной камере Рк МПа 0,11
2. Геометрические параметры шнека на входе в цилиндрическом корпус
5 Объемная производительность одного шнека Овх м3/ч 114,4 Овх=0,0316 м3/с
6 Суммарная производительность двух шнеков Овх м3/ч 228,8
7 Средняя осевая скорость Овх м/с 1,27
3. Геометрические параметры шнека на выходе из цилиндрическом корпус
8 Диаметр шнека Бш вых м 0,200 Принимаем
9 Диаметр вала шнека на входе dв. вых. м 0,116
- Объемная производительность одного шнека Овых м3/ч 86 Овых=0,239 м3/с
11 Суммарная производительность двух шнеков Овых м3/ч 172
12 Эквивалентный шаг витков шнека 8э м 0,079
13 Шаг напорных витков 82 м 0,88
14 Средний диаметр Бш ср вых м 0,158
15 Тангенс угла подъема винтовой линии на среднем диаметре *ёР2ср - 0,1774 Р2ср=100 03'36"
16 Коэффициент заполнения Кз - 0,7
18 Производительность П т/ч 178
19 Мощность Мш кВт 99,8
20 Толщина лопасти 5п м 0,006 Принимаем
21 Заборные витки пз шт 2 Принимаем
22 Напорные витки пн шт 4 Принимаем
23 Удельные энергозатраты Муд кВт/ч 0,28
Таблица 1. Продолжение
4. Параметры центробежного колеса
24 Внутренний диаметр Б1 м 0,184
25 Ширина лопастей колеса в1 м 0,037
26 Угол потока на выходе из шнека град 0,2792 Р1=15036'
27 Окружная скорость на внутреннем диаметре и1 м/с 9,63
28 Радиальная составляющая абсолютной скорости потока при входе на лопасть С1г м/с 1,72
29 Окружная составляющая абсолютной скорости потока при входе на лопасть С1и м/с 3,47
30 Окружная составляющая абсолютной скорости на среднем диаметре шнека С2иср м/с 4,84
31 Осевая составляющая абсолютной скорости потока в шнеке С27 м/с 1,75
32 Окружная составляющая на среднем диметре иср м/с 8
33 Угол потока на среднем диаметре *ёР2ср рад 0,506 Р2ср=26050'
34 Число лопастей Ъ шт 4
35 Наружный диаметрколеса Б2 м 0,46
36 Угол прямолинейных лопастей на выходе ц/б колеса собР2Л - 0,4 Р2Л=66025'
37 Окружная скорость на выходе ц/б колеса и2 м/с 24,07
38 Окружная составляющая абсолютной скорости потока при бесконечном числе лопастей С2и® м/с 23,47
39 Радиальная скорость на выходе ц/б колеса С2г м/с 0,68
40 Действительная окружная составляющая С2и м/с 14,11
41 Коэффициент влияния конечного числа лопастей X - 0,5937
5. Потребляемая мощность двухшнековым ШЦНМ
43 Давление на наружном диаметре диска Р2 МПа 7,74
44 Среднее давление Рср МПа 3,925
45 Мощность на трение цемента о две поверхности диска Мд кВт 1,56
46 Мощность на трение цемента о цемент Мц кВт 2,6
47 Массовая производительность т кг/с 55,56
48 Мощность на увеличение окружной скорости потока Ми кВт 18,87
Таблица 1. Продолжение
49 Мощность на трение цемента о внутренние поверхности отвода №тв кВт 3,9
50 Скорость в отводе Сиотв м/с 11,64
51 Скорость в горловине спирального сборника Сг м/с 9,17
52 Скорость на выходе из конического диффузора Свых м/с 5,15
53 Мощность N кВт 79,19
6. Параметры отвода, спирального сборника и конического диффузора
54 Площадь горловины спирального сборника Бг м2 0,008
55 Ширина отвода вотв м 0,044
56 Эквивалентная высота горловины Ьг м 0,091
57 Средняя высота спирального сборника Ьср м 0,0455
58 Средний радиус сборника Яср м 0,01375
59 Площадь поверхности спирального сборника Бсб м2 0,1166
60 Площадь поверхности диффузора Бдиф м2 0,1650
73 Площадь поверхности отвода Ботв м2 0,2816
74 Длина конической части диффузора 1диф м 0,196
75 Эквивалента. угол конического диффузора С£аэ/2 - 5,6713 аэ=100
76 Площадь выхода из диффузора Бвых м2 0,014
77 Диаметр выхода из конического диффузора Бвых м 0,134
78 Эквивалентный диаметр горла конического диффузора аг м 0,1
Выводы
1. В настоящее время одним из наиболее эффективных направлений развития машин для земляных и дорожных работ [2, 6, 7, 9, 12 и др.] является создание машин с комбинированными рабочими органами многофункционального назначения для активизации процессов грузовой переработки сыпучих сред;
2. Основная научная гипотеза предложенной методики расчета заключается в использовании кинематической аналогии течения жидкости и перемещения сыпучего материала в каналах шнека [1, 3, 4, 5, 8 и др.];
3. Теоретическое обоснование параметров комбинированных рабочих органов экологически безопасных пневмомеханических дорожных машин для сыпучих материалов базируется га объединении преимуществ землеройно-транспортной техники[2,10] и пневмомеханических установок [6, 9, 11] длясыпучих материалов, шнекового оборудования для переработки полимеров [3, 8] и жидкостных насосов [1, 4, 5].
Литература.
1. Боровский Б.И., Ершов Н.С., Селифонов В.С. Расчет и проектирование шнекоцентробежного насоса: Учебное пособие/Под ред. проф. Б.В. Овсянникова.- М.: МАИ 1987.- 77 с.
2. Баловнев В.И., Хмара Л.А. Интенсификация земляных работ в дорожном строительстве. -М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
3. Берхардт Э. Переработка термопластических материалов. - М.: Госхимиздат, 1961. - 747 с.
4. Боровский Б.И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопастных насосов. - М.: Машиностроение, 1989. - 184 с.
5. Боровский Б.И., Морозов А.Д., Ковалёв А.А. Использование кинематической аналоги течения жидкости для расчета геометрических параметров шнеков пневмовинтового оборудования // Строит. и дорожные машины.-1993. №1.-С.21-23.
6. Калинушкин М.П., Орловский З.Э., Сегаль И. С. Пневматический транспорт в строительстве. -М.: Госстройиздат, 1961, - 162 с.
7. Ковалёв А. А. Анализ и определение составляющих мощности пневмомеханической дорожной установки для сыпучих матералов: Сборник научных трудов НАПКС. Строительство и техногенная безопасность,Симферополь, вып. 2005. № 11.- с. 121 - 125.
8. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. - М.: Химия, 1965. - 444 с.
9. Малевич И.П. Машины и оборудование для пневматического транспортирования цемента на заводах сборного железобетона. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1982. - 44 с.
10. Мер И.И. Мелиоративные машины. - М.: Колос, 1964. - 367 с.
11. Пневмотранспортные установки. Справочник. Воробьев А.А., Матвеев А.И., Носко Г.С., Шапунов М.М. и Аннинский Б. А. -Л.: Изд-во «Машиностроение», 1969. - 200 с.
12. Расчет и проектирование напорного механизма пневматической винтовой установки для транспортирования сыпучих строительных материалов / Ковалёв А.А. - Симферополь.: Таврия, 1995. - 176 с.
Summary. The main settlement ratios for determination of geometrical and regime parameters of the shnekotsentrobezhny pressure head mechanism of pneumomechanical installation of bulks are considered
Key words: centrifugal wheel vane, screw, shnekotsentrobezhny pressure mechanism rotor installation, ekotechnika.
