CC BY
17
The method of finite elements solves a contact problem for details of key connection at the set fits. Change of contact tension in details in the course of assembly of connection is investigated and at different
types of loading. Possibility of a choice of a type of fits of details subject to working conditions is shown.
Key words: key connection, finite elements method, fit, contact tension, assembly of key joint.
УДК 621.867.52
ШАМОТА В.П., д.т.н., професор (ДОНИЖТ), ФАЛЬКО А.Л., к.т.н., доцент (ДОНИЖТ)
Обоснование конструкции и режима работы, определение производительности виброконвейера со ступенчатым рабочим органом
Shamota V.P,, Dr. of Technical Sciences, Professor (DRTI),
Falko A. L., Ph.Dr. of Technical Sciences, Associated Professor (DRTI)
Design and operating mode substantiation and definition of productivity of the shaking conveyor with step end-effector
Постановка проблемы
При ремонтах и строительствах железнодорожных путей и других сооружений используют в большом количестве строительные сыпучие материалы (песок, гравий...). Во многих случаях возникает необходимость транспортировки остатков сыпучих строительных материалов вдоль
железнодорожного пути на новые места ремонтных или строительных работ. Загрузка больших масс сыпучих материалов на платформы осуществляется экскаваторами. Но небольшие по объему сыпучие массы загружаются вручную, поскольку использование
механизированных средств не
технологично и не рентабельно по причине большой стоимости, энергозатрат, значительной массы, что исключает мобильность [1].
Анализ исследований и публикаций
Транспортировку сыпучих масс вверх возможно осуществлять с помощью скребковых конвейеров, ковшовых
элеваторов, или вибрационных конвейеров с винтовым рабочим органом [2]. Но для загрузки сыпучих масс при ремонтах и строительствах железнодорожных путей и других сооружений их не используют по причинам большой массы оборудования, и значительного энергопотребления, что исключает мобильность, необходимую при строительстве.
Таким образом, для повышения производительности и частичной механизации ручного труда при загрузке на платформы небольших объемов сыпучих строительных масс целесообразно создать легкий, мобильный, технологически эффективный, экономичный и надежный в работе конвейер с малой себестоимостью. Соответственно, актуальной научной задачей является обоснование и разработка конструкции конвейера, для удобного и рентабельного использования при загрузке сыпучих строительных масс на железнодорожные платформы.
Постановка задачи
Целями статьи являются обоснование конструкции нового виброконвейера и
режима виброперемещения сыпучего груза по рабочему органу, изложение аналитических исследований,
позволяющих определить среднюю теоретическую скорость
виброперемещения и теоретическую производительность нового
виброконвейера.
Основной материал
Среди возможных вариантов привода целесообразно использовать инерционный, т.к. он наиболее прост и надежен конструктивно. Этот тип привода хорошо подойдет для транспортировки довольно тяжелых (в сравнении с массой легкого рабочего органа) и нестабильных по
нагрузке сыпучих масс - т.к. в этом случае отсутствует контактное механическое влияние на рабочий орган со стороны вибратора (есть только инерционное влияние) и вибратор не подвергается каким-либо перегрузкам.
Поскольку транспортировка сыпучих грузов планируется вверх, то авторами предлагается использовать новую конструкцию рабочего органа из последовательно расположенных ступенек определенной длины и высоты (рис. 1), в которой ступени ограничивают движение сыпучего материала вниз, при его вибротранспортировании вверх по наклону колеблющегося рабочего органа [3].
Рис. 1. Схема конструкции виброконвейера
Согласно рис. 1 виброконвейер состоит из ступенчатого рабочего органа 1, ограниченного боковыми бортами 2 и статически вывешенного на упругих элементах 3, которые закреплены на раме 4. Инерционный дебалансный вибратор 5 жестко соединен с рабочим органом 1 и
благодаря упругим элементам 3 способен создавать направленное колебательное движение рабочего органа 1. Перед началом работы рама 4 закрепляется нижним концом 6 в грунт, а верхним концом 7 крепится к железнодорожной платформе. Каждая ступенька рабочего
органа 1 состоит из упорной поверхности 8, которая препятствует движению сыпучей массы вниз, и рабочей поверхности 9 для скольжения груза, которая параллельна к направлению колебаний.
Работает устройство следующим образом. После крепления концом 6 в грунт, а верхним концом 7 к железнодорожной платформе при подаче электрического напряжения вибратор 5 выводит рабочий орган 1 в заданное колебательное движение. Сыпучий материал вручную загружается на нижнюю часть рабочего органа конвейера и под воздействием колебаний перемещается вверх по ступенчатой поверхности рабочего органа, из которого попадает на железнодорожную платформу. Скольжения в обратную сторону (вниз вдоль рабочей поверхности 9) не происходит т.к. пройденное на этапе скольжения место занимают другие нижние по расположению частицы, самые нижние из которых опираются на упорную поверхность 8. Таким образом, слой сыпучего материала перемещается этапами скольжения вверх по наклонному ступенчатому рабочему органу виброконвейера.
При этом из практических соображений следует принять следующие первоначальные граничные условия процесса виброперемещения:
- угол наклона рабочей поверхности 9 ступени к горизонту не должен превышать угла естественного откоса сыпучего материала
- высота слоя материала на ступенчатом рабочем органе не должна превышать определенного значения, которое определяется экспериментально и зависит от размеров и формы частиц сыпучего материала (т.к. частицы сцепляются между собой в слое материала).
В зависимости от кинематических (амплитуда и частота) и геометрических (размеры ступени, углов наклона рабочего органа и ступени) параметров колебаний рабочего органа возможны различные
режимы виброперемещения слоя сыпучего материала.
Режим виброперемещения сыпучего продукта целесообразно назначить без этапов полета над ступенями. В этом случае сыпучая масса будет перемещаться только на этапах скольжения вверх вдоль рабочих поверхностей 9 ступеней, соскальзывая (ссыпаясь) на рабочие поверхности верхних по расположению ступеней в каждом периоде колебаний. В данном режиме виброперемещения за счет отсутствия этапов полета нет пылеобразования и выскакивания части груза за ограждающие борта рабочего органа, нет ударных нагрузок, которые дестабилизируют колебательный процесс рабочего органа. В случае наличия ударных нагрузок следовало бы упрочнить рабочий орган, что привело бы к его утяжелению, соответственно, увеличению мощности привода (соответственно массы привода и всей конструкции) и энергопотребления. Кроме того, наличие ударных нагрузок создавало бы шумы, негативно воздействующие на рабочих и окружающую среду.
Начаты базовые аналитические исследования [4] этапов процесса виброперемещения сыпучего материала.
Для детального аналитического рассмотрения процесса виброперемещения примем связанную со ступенькой рабочего органа подвижную систему координат XOY (рис. 2), в которой рассмотрим движение частиц сыпучего материала. Будем считать, что слой сыпучего материала является однородным по гранулометрическому составу. Принимаем, что материальная точка массой идеализирует слой сыпучего материала. Сопротивление воздуха не учитываем. На материальную точку действует сила веса (ускорение свободного падения), нормальная реакция, сила инерции, сила трения.
Рис. 2. Схема сил действующих на частицу (Н - высота ступеньки м, Ь - длина ступеньки, м)
Составим уравнение сил, которые действуют на частицу по осям ОХ и ОY:
" 2 mx = I - G cos[90 - (а + /)] - Fmp = mAc sin at - mg sin(a + /) - Fm
my = N - G sin[90 - (a + /)] = N - mg cos(a + /)
mp
(1)
где А - амплитуда колебаний рабочего органа, м,
с - циклическая частота колебаний рабочего органа, с'1,
а - угол наклона рабочего органа к горизонту, град.,
в - угол наклона ступенек к рабочему органу (к направлению транспортировки), град.,
I - текущее время, с.
Поскольку при скольжении движение вдоль оси OY отсутствует, то второе уравнение системы (1) приравняем нулю, откуда получим выражение для определения нормальной реакции:
N = mg cos(a + /),
(2)
Силу трения определим из известного закона, с учетом (2):
^тр = = jumg соБ(а + ¡), (3)
Подставив значение Ртр из (3) в
первое уравнение системы (1) и разделив его на т, получим дифференциальное уравнение движения частицы на этапе скольжения по поверхности ступени:
.. 2
x = Ac sin at - g sin(a + /) - jg cos(a + /) (4)
Интегрируя (4) по dt , получим закон изменения скорости материальной точки на этапе скольжения:
х = -AC[cos cat - cos cat^ ] - g(t - tn)[sin(« + /) + jcos(« + /)] + xn,
0^
0:
;
где х0 - начальная скорость движения на каждом этапе скольжения вдоль ОХ.
Принимаем Х0 = 0, поскольку движение сыпучего груза направлено вверх от упорной поверхности 8 ступени вдоль рабочей поверхности 9 и ему противодействуют сила гравитации и сила трения. Поэтому после каждого этапа
перемещения на следующую ступеньку движение слоя сыпучей массы вдоль ОХ останавливается перед следующим этапом скольжения.
Интегрируя (5) по & получим закон изменения координаты материальной точки на этапе скольжения:
х = —
A[sin at — sin atq ] + Aa cos cot^ (t — tq )
2 , (6) —0,5g(t — ¿q ) [sin(a + P) + f cos(a + P)] + Xq (t — ) + Xq
где хо - начальная к°°рдината движения на Момент начала скольжения ¿о определим каждом этапе скольжения вдоль ОХ, будем из уравнения (4) приравняв его к нулю: считать х0 = 0 в момент ¿о .
g
фq = cot^ = arcsin[ ~ (sin(a + p) + jug cos(a + P))]
Aa
(7)
Процесс ссыпания на верхнюю движутся в сыпучем слое до края
ступеньку начинается с момента % = at0 следующей ступени.
(фазовый угол начала этапа скольжения) до Для опРеделения момента остановки
момента % = cot, (фазовый угол конца скольжения % = cti не°бходим°
этапа скольжения) в каждом периоде приравнять скорость скольжения -
колебаний частицами сыпучей массы, уравнение (5) при % = % = at1 к нулю: достигшими края рабочей поверхности ступени. После ссыпания частицы
—Aa[cos at^ — cos atq ] — — t^ )[sin(« + P) + f cos(« + P)] = 0 (8)
Решить такое уравнение (8) лучше с учетом начальных нулевых значений всего методом последовательных получим аналитическое выражение для приближений в Mathcad. определения перемещения материальной
Определив значения фазовых углов р0 по точки (слоя сыпучего груза) за этап
скольжения:
(7) и рх из (8) подставим их в формулу (6) и
х,
qj = — A[sin atj — sin atq ] + Aa cos atq (^ — t^)
42
—0,5g (^ — tQ )2 [sin(a + P) + ju cos(a + P)]
Среднюю скорость виброперемещения скольжения х01 к времени периода сыпучего груза вдоль осиХ(их) найдем как
отношение перемещения на этапе колебаний рабочего °ргана т = — . Тогда:
2
_ х01 Асг . . Ас , ч
их = —\ = - ^Т[81П — -81П—] + ^Г0088 —(Н - ^)
сg 2 " ~ t0) [§т(а + ¡)+ Мсо8(а + ¡)]
Однако результирующий вектор отличается от направления скольжения на
виброперемещения груза направлен не угол /. В таком случае средняя скорость
вдоль оси Х по ступеням, а вдоль наклона виброперемещения составит: рабочего органа к горизонту, т.е.
- - о х01 о Ac ■ ■ т о Аа2 , ч _
и = их cos3 = cos3 =--[sinct, -smatn]cos3 +-cosatn(U -tn)cos3
Т 2% 1 0 2% 010
ag 2
— (t1 -10) [sin(a + 3) + ucos(a + /)]cos/
Тогда теоретическую производительность значений, рассчитанных по формулам (9-можно определить в соответствии с 11): известной методикой [2, с.23] с учетом
36005У хт 3600aS^ хт \
Q = 3600US^ = 3600SU cos 3 =-01 cos 3 =-01 cos 3 (1 )
Т 2%
1800SyAar . „ 1800S^Aa2 =--[sin at^ - sin at^ ]cos 3 +--cos at^ (^ - t^) cos 3
- 900S^ag ( - )2 [sin(a + 3) + j cos(a + 3)] cos 3 n 10
где Б - площадь поперечного сечения Выводы грузонесущего органа, м.
у - коэффициент заполнения \. Обоснованы принцип действия и
поперечного сечения грузонесущего органа конструкция виброконвейера для загрузки виброконвейера, для грузонесущего органа сыпучих масс на железнодорожные открытого типа с прямоугольным сечением платформы.
у = 0,6 - 0,8. 2. Предложен режим
виброперемещения сыпучего груза по ступенчатой поверхности рабочего органа вибрационного конвейера.
3. Начаты базовые аналитические исследования процесса виброперемещения.
4. Предложена методика расчета средней скорости виброперемещения сыпучего груза в заданном режиме движения и соответствующей теоретической производительности предлагаемого виброконвеера.
Перспективами дальнейших
исследований являются:
1. Расчет мощности и удельных энергозатрат.
2. Проектирование детальной конструкции и расчет рентабельности её изготовления и использования.
3. Изготовление экспериментального образца оборудования и проведение экспериментальных исследований
Список литературы:
1. Технология железнодорожного строительства: Учебник для ВУЗов /Э.С. Спиридонов, А.М. Призмазонов, А.Ф. Аккуратов, Т.В. Шепитько; Под ред. А.М. Призмазонова, Э.С. Спиридонова - М.: Желдориздат, 2002. - 631 с.
2. В.Н. Потураев, В.П. Франчук, А.Г.Червоненко - Вибрационные транспортирующие машины. М., «Машиностроение», 1964. - 272 с.
3. Патент на корисну модель 86034. Вiброконвеeр iз схщчастим робочим
органом. / Шамота В.П., Тимохш Ю.В., Фалько О.Л.- Бюл. № 23. - 2013. (10.12.13).
4. Шамота В.П., Фалько О.Л. Модершзащя процессу завантаження залiзничних платформ сипкими масами шляхом використання спрямованого вiбрацiйного руху/ материалы
международной научно-практической
конференции в рамках Международного Научного форума Донецкой Народной Республики. - Донецьк: ДонИЖТ, 2015. - с. 183-187.
Аннотации:
В статье представлена конструкция нового виброконвейера для загрузки строительных сыпучих масс на железнодорожные платформы. В конструкции легкого мобильного виброконвейера использован ступенчатый рабочий орган. Это позволяет транспортировать сыпучий груз вверх под большими углами. Начаты аналитические исследования нового процесса виброперемещения сыпучих масс.
Ключевые слова: виброконвейер, вибротранспортирование, загрузка на
железнодорожные платформы.
In article the construction new shaking conveyor for loading of building loose masses on railway platforms is presented. In the construction of a lung mobile shaking conveyor the step end-effector is used. It allows to transport loose masses under the big angles. There are begun analytical researches of new process of vibrating moving of loose masses.
Key words: the shaking conveyor, vibrating transportation, loading on railway platforms.
