CC BY
24
УДК 621.867.32 (06)
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ РИФЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРПУСА ВЕРТИКАЛЬНОГО ВИНТОВОГО КОНВЕЙЕРА
© 2011 г. Е.И. Павлов
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
Shakhty Institute (Branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Проведено исследование возможности повышения эффективности процесса транспортирования вертикальным винтовым конвейером за счет рифления внутренней поверхности корпуса, учитывая при этом физико-механические свойства потока транспортируемого материала.
Ключевые слова: вертикальный винтовой конвейер; рифление внутренней поверхности корпуса; рифли.
Produced a study ways and means to improve the effektivnostiprocessa transportation vertical screw conveyor by grooving the inner surface of the shell taking into account the physical and mechanical properties of flow of transported material.
Keywords: vertical screw conveyor; by ridges on the inner surface of the shell; rifli.
Вертикальные винтовые конвейеры нашли широкое распространение во многих технологических линиях предприятий производства строительных материалов и сельского хозяйства. Их основные преимущества - непрерывность транспортирования, простота конструкции и эксплуатации, герметичность, возможность транспортирования пылящих и остропахнущих грузов. В качестве основного недостатка необходимо выделить то, что 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 снижает качество конечного продукта [1].
Таким образом, для повышения производительности вертикальных винтовых конвейеров следует уменьшить вращательную составляющую движения транспортируемого материала. Этого можно достичь путем повышения коэффициента трения транспортируемого материала о внутреннюю поверхность корпуса конвейера. Увеличение значения коэффициента трения между транспортируемым материалом и внутренней поверхностью корпуса вертикального конвейера за счет рифления последней в виде продольных полос, направленных по образующим цилиндра, не принесет положительного эффекта, так как сыпучий материал, попавший в межреберное пространство, будет двигаться вниз под действием собственного веса, что снизит эффективность функционирования конвейера.
Движение потока транспортируемого материала в вертикальном винтовом конвейере описано в работе А.В. Евстратовой [2]. В данной работе показано влияние геометрических и кинематических параметров рабочих органов конвейера и свойств транспортируе-
мого материала на форму поперечного сечения потока материала в конвейере и эффективность транспортирования.
Для увеличения коэффициента трения между транспортируемым материалом и корпусом конвейера можно расположить ребра на внутренней поверхности последнего по спирали, закрученной в сторону движения материала, но с большим шагом, чем у винтовой линии движения материала, и меньшим углом подъема, чем угол трения материала о металл корпуса конвейера.
Рассмотрим движение элемента материала в пространстве между рифлями (рис. 1).
Рис. 1. Схема сил, действующих на элемент потока материала в пространстве между рифлями
Для описания статического равновесия элемента материала введем две системы координат, одну (основную) расположим так, чтобы положительное на-
правление оси z совпадало с направлением оси конвейера. Вторую (локальную) систему координат расположим так, чтобы положительное направление оси z1 совпадало с направлением движения материала в пространстве между рифлями [3].
Сила, продвигающая материал в пространстве между рифлями:
FДВ = NM fM cos(P - ф) , (1)
где NM = mM R®0
sin a sin p
\2
- сила нормального
cos(P-a)y
давления на материал в пространстве между рифлями со стороны основной массы транспортируемого материала, Н; / - коэффициент внутреннего трения материала.
Сила сопротивления продвижению материала в пространстве между рифлями:
^опр = m1 f sin ф + m1 g cos Ф + N/ц ,
(2)
где Nц = тм Ra
sin a sin p
2
+ m1 R®2
sin a sin ф cos^-a)
2
cos(P-a )y
сила нормального давления транспортируемого материала и материала, движущегося в пространстве между рифлями, на внутреннюю поверхность корпуса конвейера, Н; /ц - коэффициент трения материала о
металл корпуса конвейера; ф - угол между рифлями и образующими цилиндра, град; тм - масса элементарного объема материала на лопасти шнека, кг; m1 -
масса материала, находящегося в пространстве между рифлями и контактирующего с элементарным объемом материала массой тм, кг; R - радиус шнека, м;
a0 - угловая скорость шнека, мин-1; a - угол подъема винтовой линии, град; p - угол между направлением абсолютного движения транспортируемого материала и осью шнека, град.
При описании движения потока в вертикальном винтовом конвейере силы, действующие на него, определяются как произведение давления основной массы материала на площадь действия этого давления [3].
Найдем проекции нормальных реакций. На рис. 2 представлен элемент корпуса в пределах одного витка в горизонтальной развертке.
Сила сопротивления, при равномерном распределении давления материала на цилиндрическую поверхность корпуса и боковые поверхности направляющих, определяется по формуле:
^сопр = Р^/ц +
abt у cos ф
(3)
где S1 = (a + 2b)t / cos ф - площадь контакта материала в пространстве между рифлями с внутренней поверхностью корпуса и боковыми поверхностями направляющих, м2; abtу - вес объема материала, располо-cos ф
женного в пространстве между рифлями, mrg, Н; у -объемный вес материала, Н/м3; t - шаг винта шнека, м.
Рис. 2. Схема плоскостей проекций
Движение материала в пространстве между рифлями будет происходить в том случае, если сила, действующая на материал, заполняющий пространство между рифлями, со стороны основной массы транспортируемого материала больше, чем сила сопротивления движению материала со стороны внутренней поверхности корпуса и боковых поверхностей рифлей:
^ДВ > ^сопр . (4)
Движение потока транспортируемого материала по внутренней поверхности корпуса вертикального винтового конвейера, при котором сила сопротивления движению материала в направлении канала, образованного рифлями, меньше, чем сила сопротивления движению материала в направлении, перпендикулярном этому каналу:
Fy 1> Fz 1. (5)
Сила сопротивления движению основной массы транспортируемого материала по внутренней поверхности корпуса винтового конвейера в направлении канала, образованного рифлями:
Fz 1 =
Pfj(a + 2b)t + cos ф
abt у
-----(/ц sin ф + cos ф)
cos ф
(6)
Сила сопротивления движению материала по внутренней поверхности корпуса винтового конвейера перпендикулярно каналу между рифлями:
Fy 1 =
PafM cos(p^) cos ф
(7)
После подстановки (6) и (7) в неравенство (5) получим условие движения материала в пространстве между рифлями:
PafM cos(p^) cos ф
>
Pf4(a + 2b)t + cos ф
abt у
-----(/ц sin ф + cos ф).
cos ф
Коэффициент сопротивления транспортируемого материала по внутренней поверхности вертикального винтового конвейера в направлении канала между рифлями fZ 1 и коэффициент трения в направлении, перпендикулярном каналу между рифлями fY1, соответственно равны:
fZ 1 -
Л (a + 2b + d) +
(a + d)
aby
(a + d )n cos ф
(f sin Ф + cos ф) ,(9)
fY 1 =
(afM + f ^(Р-ф)
(a + d)
(10)
где n - количество рифлей в пределах одного витка шнека.
На рис. 3 представлены схема сил и направление движения потока материала в вертикальном винтовом конвейере.
Ось конвейера
Рис. 3. Схема сил и направление движения потока материала в вертикальном винтовом конвейере с рифленой внутренней поверхностью корпуса
Полученные закономерности использовались для исследования зависимости направления движения материала в вертикальном винтовом конвейере от свойств материала и геометрических параметров рабочих органов конвейера - таких как коэффициенты внешнего и внутреннего трения транспортируемого материала и угол установки рифлей ф.
Было установлено, что эффект от рифления внутренней поверхности корпуса конвейера, при выполнении условия (8), будет тем больше, чем больше отношение коэффициентов внутреннего и внешнего трения транспортируемого материала. На рис. 4 представлена зависимость величины угла ф между направлением движения материала и осью шнека от отношения коэффициентов внешнего и внутреннего трения материала при следующих значениях геометрических и кинематических параметров рабочих органов вертикального винтового конвейера: радиус лопасти шнека R — 0,2м; угол подъема винтовой линии шнека
a — 20°; частота вращения шнекового вала
ю0 — 200 об/мин .; коэффициент внутреннего трения материала Ум — 1; коэффициент трения материала о металл шнека и внутреннюю поверхность корпуса конвейера - варьируемая величина.
------ф = ю 0----------ф =20 °
-----При fZ1 = fY1
Рис. 4. Зависимость направления движения материала в вертикальном винтовом конвейере от отношения коэффициентов внутреннего и внешнего трения материала при различных значениях угла установки рифлей ф
Кривые 1 (рис. 4) характеризуют изменение направления движения материала в зависимости от отношения коэффициентов внешнего и внутреннего трения в вертикальном винтовом конвейере при fZ 1 < fY 1 и различных значениях угла установки рифлей ф . Кривая 2 - направление движения материала в вертикальном винтовом конвейере при fZ1 — fY1 .
Кривые 3 получены из зависимости (8), определяющей условия движения материала в пространстве между рифлями, при различных углах их установки на внутренней поверхности корпуса конвейера.
Значение отношения коэффициентов внешнего и внутреннего трения в точках А (рис. 4) на пересечении кривых 1 и 3 является критическим. При его дальнейшем увеличении движение материала в пространстве между рифлями прекращается, и направление движения транспортируемого материала (угол ф) в рифленом корпусе становится таким же, как и в винтовом конвейере, корпус которого имеет гладкую внутреннюю поверхность. На графике (рис. 4) это отражено переходом угла ф из точки А на кривой 1 в точку В на кривой 2 (угол Р ).
Анализ изменения величины угла ф показывает, что на эффективность работы вертикального винтового конвейера существенное влияние оказывает величина угла установки рифлей на внутренней поверхности корпуса конвейера. При возрастании угла уста-
новки направляющих ф кривая 1, соответствующая движению материала при fZ1 < fY1, проходит выше, т.е. производительность винтового конвейера снижается по сравнению со случаем, когда ф = 0 . Однако при этом переход А ^ В (рис. 4), характеризующий прекращение движения материала в пространстве между рифлями, смещается на графике вправо, что приводит к повышению производительности винтового конвейера и снижению удельных энергозатрат при транспортировании материалов c высоким коэффициентом внешнего трения.
Таким образом, было установлено, что для повышения эффективности функционирования вертикальных винтовых конвейеров целесообразно использовать корпуса с рифлением, причем подбирать угол установки направляющих ф следует в зависимости от геометрических параметров рабочих органов конвейера и свойств транспортируемого материала. Наиболее выгодные значения угла закручивания рифлей находятся, по результатам исследования, в пределах 18^35° относительно оси шнекового вала, что теоре-
тически позволит повысить производительность вертикального винтового транспортирования до 20 %.
Литература
1. Павлов Е.И., Рудь А.В. Влияние рифления внутренней поверхности корпуса вертикального винтового конвейера на его эксплуатационные показатели // Прогрессивные технологии в современном машиностроении : сб. статей VI междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2010. 198 с.
2. Евстратова А.В. Математическое описание процесса вертикального винтового транспортирования потока сыпучего материала// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. № 6. С. 53 - 55.
3. Павлов Е.И. Повышение эксплуатационных показателей вертикального винтового конвейера за счет рифления внутренней поверхности корпуса // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сб. статей VI междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2010. 198 с.
Поступила в редакцию 16 мая 2011 г.
Павлов Евгений Игоревич - аспирант, кафедра «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии», Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. +7(918)524-03-62. E-mail: [email protected]
Pavlov Evgeniy Igorevich - post-graduate student, department «Machines and Equipment of Construction Industry Institute», Shakhty Institute (Branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. +7(918)524-03-62. E-mail: [email protected]
