CC BY
10Чертов В.Г. ст. преп.
Белгородский государственный технологический университет имени В.Г.Шухова
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МОБИЛЬНЫХ ПНЕВМОТРАНСПОРТНЫХ УСТАНОВОК В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, ПРОИЗВОДСТВЕ, РЕМОНТЕ, ЭКСПЛУАТАЦИИ
trubaev@mail.ru
Автором предлагается принципиально новая разработка ряда мобильных пылесосных установок, которые находят распространение в последнее время и позволяют осуществлять не только плоскую, но и объемную уборку, имеют максимальную единичную производительность насадка до сотни раз выше, чем в традиционных пылеуборочных установках. Реализация проекта позволит получить тройной экологический эффект, существенно улучшить экономические и технические показатели установок, в несколько раз повысить производительность, механизировать, а в перспективе и автоматизировать процесс строительства и пылеуборки.
Ключевые слова: оборудование механизированной промышленной пылеуборки, ремонта и эксплуатации дорог и территорий без соли. Насадки и манипуляторы мобильных пневмотранспортных установок
Трубопроводный транспорт широко распространен в строительстве и промышленности строительных материалов. Так весь цемент, производимый цемзаводами транспортируется в си-лосы с помощью пневмотранспорта. Мобильные пневмотранспортные установки являются составной частью трубопроводного транспорта. Однако в настоящее время передвижные трубопроводные установки, имеющие мобильные протяженные пространственные трубопроводы, представлены только бетононасосами. Этот ряд предлагается дополнить рядом мобильных пневмотранспорт-
ных установок (МПУ), и представляется новое название для всего класса этих машин: мобильные трубопроводные установки (МТУ). Общие виды мобильных трубопроводных установок показаны на рис. 1 и 2. Общий вид рекомендуемой установке по переработке отходов приведен на рис. 3, а). Вовремя собранные сухие растительные остатки с прилегающих территорий являются ценным сырьем для изготовления экологически чистых новых стройматериалов материалов типа ДСП, ДВП или арболита рис. 3, б).
Рис. 1. Мобильные пневмотранспортные установки (МПУ):
а) дорог и территорий производительностью 40 т/ч
б) помещений производительностью 10 т/ч
Рис. 3. Малотоннажная линия производства листовых материалов из отходов производительностью до 1 т/ч (а), б) образцы стройматериалов из отходов
Рис. 2. Машины для ремонта дорог и сооружений (АПС):
а) дорог и территорий производительностью до 50 т/ч.
б) для помещений производительностью до 10 т/ч
б)
В пылеуборочных системах, как правило, уборка пыли осуществляется насадками различных конструкций, позволяющими обеспечить оптимальные условия и производительность уборки в зависимости от изменяющейся конкретной обстановки.
В работе разработаны и подтверждены изобретениями 11 конструкций и 4 формулы для расчета проточной части насадков, которые приведены на рис. 4. Конструкция насадков обеспечивает эффект «сбривания» потоком воздуха, входящим в насадок, слоя пыли, исключающим ее колебание, что обеспечивает снижение энергозатрат в насадке. При оптимальной проточной части предлагаемые насадки имеют простую конструкцию, выполненную в сечении в виде гнутого короба с крышкой, обеспечивающего минимальное количество сварки и пайки, высокую прочность и герметичность, малую массу и технологичность в изготовлении.
Профилирование проточной части насадков в зависимости от его типа осуществляется по следующим формулам:
Н^ АНоС/(АС- С|(Л-Б)), (1)
А1=2(АоНоС -(АоНо- АкНк))/((Нк-Но)С + СНо). (2) Л =(СЛоБо+(Я - ЛоБо)^ /(СБо+ (Я - БО)0). (3) Н= ВНк(С-С|(1-К))/К((АС-С|(А-В)). (4) Приведенная формула (4) справедлива для 3-х вариантов:
Sщ> йь А>0, К<1; (5)
Sщ= йк, А=0, К=1; (6)
йщ< йк, А<0, К>1. (7)
Где А - половина длины всасывающей щели; В - половина ширины корпуса на выходе воздушного потока; С - длина корпуса; НО - ширина всасывающей щели на входе воздушного потока; С - текущая координата длины корпуса; Н - текущая координата ширины всасывающей щели, Я- радиус выходного патрубка, йщ и -площади всасывающей щели и конечного сечения насадка.
Зависимость (5) учитывает уменьшение сечения насадка от входа к выходу, что справедливо для легкой пыли (древесные опилки, керамзит, кокс).
Зависимость (6) оставляет сечение насадка от входа к выходу неизменным, что справедливо для пыли средней тяжести (песок, грунт, щебень, гравий).
Зависимость (7) учитывает увеличение сечения насадка от входа к выходу, что справедливо для тяжелой пыли, (руда, колчедан, свинцовый концентрат, дробь стальная), поскольку в этом случае максимальная скорость обеспечивается на входе в насадке, где происходит отрыв частиц пыли с преодолением трения покоя, поэтому необходимы максимальные энергозатраты.
в) 3
4
(19) ви (11) 1412728 А1 Н\=АНоС/[АС-С\(А-В)]
г)
Вид А
(19) ви (11) 1489716 А2 Н = ВНк[С - С(1 - К)]/{К[АС - С(А - В)]}
Вид В
(19) ви (11) 1535528 А1
(19) ви (11) 1595457 А2 Аг((А0В0С+(.Я2- А0Ва)С)/(В0С+(Я- В^С)
Д А1=2[АоНоС-а(АоНо-АкНк)]/[НоС+а(Нк-Но)]
Рис. 4. Конструкции насадков повышенной эффективности: а) передней, б) задней криволинейными полками и г) вид сверху; в) и д) боковыми криволинейными полками; е) объемного профилирования
Рассмотренные насадки устроены идентично. Насадок для очистки плоских поверхностей (рис. 4 а, г) содержит всасывающий патрубок 1, корпус 2 с крышкой 3, образующие всасывающую щель 4, закрепленный в корпусе 1 нож 5 для разравнивания пыли и связанную с корпусом 2 и размещенную за ножом 5 по ходу перемещения насадка полку 6, образующую с обрабатываемой поверхностью канал 7 для забора воздуха из атмосферы. Полка 6 имеет изогнутую по лемнискате форму. Угол в между касательной, проведенной к дуге сопряжения корпуса 2 с полкой 6, и обрабатываемой поверхностью равен 10-12°. Крышка 3 изогнута в сторону продольной оси насадка по кривой, описываемой уравнением, приведенным выше.
Уборка и транспортировка материала в насадке и последующем за ним трубопроводе происходит за счет движения воздуха. Без воздуха материал в насадке и трубопроводе двигаться не может, что приводит к завалу материала в трубопроводе. Без движения воздуха в насадке происходит явление «захлебывания», которое лавинообразно распространяется на последующую пневмотранс-портную сеть, в которой материал осаждается и забивает трубопровод.
Рис. 5. Стенд исследования насадков для куч: 1- гибкий рукав, 2- рукоятка, 3- державка, 4- траверса, 5- винт, 6- комадоаппарат, 7- насадок, 8- мерный цилиндр, 9- пыль
Большинство конструкций насадков работают с материалом от очищенной поверхности к загрязненной, за исключением насадка для уборки куч, который предназначен для погружения в массу материала. Т.е. назначение насадка для уборки куч обуславливает для него наиболее неблагоприятные условия по «захлебыванию» и работоспособности пылеуборочной установки. Ранее рассмотренные аналоги предлагаемым пылеуборочным установкам предназначались для относительно небольшого количества удаляемого материала. Поскольку в литературе не приводятся исследования насадков для уборки куч, поэтому были проведены исследования указанных насадков по разработанной нами методике. Исследования насадков для уборки куч проводилось на стенде, представленном на рис. 5. Стенд подключается с помощью гибкого рукава 1 к пневмотранспортной сети, рукоятка 2 с насадком крепится державкой 3 к подвижной траверсе 4, перемещаемой с помощью винтов 5, управляемых пультом 6. Насадок 7 погружается в мерный цилиндр 8 с контрольной насыпкой песка 9.
Общий вид насадка для уборки куч пыли и результаты его испытаний представлены на рис. 6.
50 60 70 а°л Относительный диаметр, угол наклона лопаток
1- =Щ); ак =40°; ап=45°; двс=0,6дп; С к =1,34п
2- М(с1вс); 1=0,36п; а=40°; а =45°; б =1,36п
3- М(сСк); 1=0,3ССП, а=40°; ап=45°; СВс=0,6сСп
4- М(ап); 1=0,3СП, а=40°; ССвс=0,6ССП; С =1,36п
Рис. 6. Характеристики насадков для куч: а) расчетная схема, б) развертка лопатки; 1- патрубок, 2 -конус, 3- диффузор, 4- лопатка
При исследованиях насадка применялся формовочный песок ГОСТ 2138-74, группы 063, грубой крупности с основным остатком на ситах: 1; 0,63; 0,4 мм средней насыпной плотностью 1500 кг/м3.
Для получения математической зависимости, позволяющей провести количественную оценку геометрических параметров насадков, был реализован центральный композиционный рототабельный план (ЦКРП) 4- факторного эксперимента. Предварительная обработка результатов ЦКРП позволила получить уравнение регрессии в виде полинома Маклорена:
у=Ь0+Ь1Х1+Ь2х2+Ь3х3+Ь4х4+Ь5х21+Ь6х22 +Ь7Х23 +Ь8Х^ +Ь9х31 +ЬЮх32 +Ь„х3з +Ь^х34 , (8)
где у - функция отклика; Ь0 - свободный член уравнения; Ь, Ьу, Ь, - коэффициенты, соответственно, при эффектах взаимодействия; х, - значения переменных факторов.
После реализации плана эксперимента рассчитывались коэффициенты уравнения регрессии (10) и проводилась оценка их значимости по критерию Стьюдента. Адекватность полученного уравнения экспериментальным данным проверялась с помощью критерия Фишера при уровне значимости 5 %.
После проведения экспериментальных исследований был выполнен регрессионный анализ полученных характеристик насадков. Регрессионный анализ по полученным экспериментальным данным позволил получить следующие аналитические выражения для расчета геометрических параметров ряда насадков:
Относительный зазор:
1=4,74^-3,561+2,47. (9)
Оптимум:
<п=0,40; аЛ=30°; 1^=1,80; 82=0,042. Относительный диаметр всоса:
dвc=4,28t2-7,1t+4,83. (10)
Оптимум:
<Зп=0,80; аЛ=40°; 1^^=1,88; 82=0,0132. Относительный диаметр конуса:
<к=11,212-28,51+19,9. (11)
Оптимум:
<п=0,80; <к=1,30; аЛ=50°; и,=1,74; 82=0,045. Угол входа лопаток:
аЛ=2,7912-4,441+3,43. (12)
Оптимум:
<п=0,80; <к=1,30; tmin=1,66; 82=0,04. На рис. 7 представлены графические зависимости выполненного регрессионного анализа полученных характеристик насадков для сбора куч пыли.
Полученные значения суммы среднеквадратичных отклонений между расчетными и экспериментальными зависимостями менее 5% свидетельствует об адекватности выполненного регрессионного анализа
После насадка пылевоздушный поток поступает в гибкий рукав, с помощью которого осуществляется манипуляция насадком. Гибкие рукава в соответствии с рекомендациями Сантехпроекта предлагается выбирать облегченными резиновыми, с внутренней оплеткой в виде металлической спирали и диаметром рукава не более 50 мм. Причем увеличение рукава более 50 мм, делает его неудобным в работе, т.е. гибкий рукав является узким местом при сборе пыли.
Нами разработаны 5 типов поддерживающих устройств для гибких рукавов, на 3 из которых получены изобретения, обеспечивающих увеличение производительности единичного насадка манипулятора до 10 раз, а основного насадка МПУ многократно по сравнению с насадками централизованных пылеуборочных установок.
В таблице приведена разработанная классификация манипуляторов и их краткая конструктивная характеристика. В классификацию включены: телескопические, складные трубчатые, рукавный с поддержкой, комбинированный телескопический, комбинированный маятниковый манипуляторы. Наиболее компактны и имеют минимальное сопротивление в сложенном состоянии телескопические манипуляторы, поскольку их длина автоматически выбирается в зависимости от пылевой обстановки, и при обеспечении минимальной длины их сопротивление также будет минимально. Недостатком телескопических манипуляторов является сложность изготовления с высокой точностью, а также обеспечение коррозионной стойкости телескопических звеньев манипулятора в условиях сухого трения. Эта проблема может быть решена применением прогрессивных конструкций самосмазывающихся уплотнений и антикоррозионных покрытий, что в свою очередь увеличивает стоимость телескопических манипуляторов. Телескопические манипуляторы, вследствие высокой стоимости, следует рекомендовать для применения МПУ малой производительности для работы внутри помещений, где они могут обеспечить весьма высокую работоспособность и оправдать большие затраты. Важное значение для МПУ малой производительности имеют также малые габариты телескопических манипуляторов.
В отличие от телескопических, складные трубчатые манипуляторы имеют неизменную длину и поэтому у них более высокое гидравлическое сопротивление. Общий вид складного трубчатого манипулятора, с обозначением основных узлов, приведен на рис. 8. Производительность манипулятора зависит от диаметра применяемой трубы и типоразмера установки. Манипулятор обеспечивает ручное и автоматическое управление перемещением насадков с помощью гидроцилиндров и системы автоматики.
I 2,70 5
2,50 Не 2,30 2,10 1,90
1,70
0,10 0,30 0,50 0,70
Относительный зазор
| 3,20 £ 3,00
Л 2,80 2,60 2,40 2,20 2,00
1,80
3,00 2,80 2,60 2,40 2,20 2,00 1,80 1,60
0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 Относительный диаметр
Л 3,3
Е 3,1
I 2,9
2,7 2,5 2,3 2,1 1,9
1,7
0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 Относительный диаметр
40 50 60 70 80 Угол наклона лопаток ал
- Расчет
Рис. 7. Регрессионный анализ характеристик насадков для куч пыли Классификация манипуляторов
- Эксперимент
Таблица
№
Общий вид манипулятора
Тип манипулятора
Особенности конструкции
Телескопический
Сложная конструкция минимальное сопротивление
Складной трубчатый,
Сложная конструкция среднее сопротивление
Рукавный с поддержкой
Простая конструкция максимальное сопротивление
Комбинированный телескопический
Сложная конструкция среднее сопротивление
ш
Комбинированный маятниковый
Простая конструкция среднее сопротивление
1
2
3
4
5
Работа складного трубчатого манипулятора рез которого представлен на рис. 8. Основными осуществляется с помощью гидроцилиндров, раз- деталями гидроцилиндра являются: 1 - проушина
цилиндра, 2 - шаровая опора, 3 - штуцер, 4 - гайка, 5 - поршень, 6 - уплотнение поршня, 7 - колпачок, 8 -втулка, 9 - цилиндр, 10 - грязесъемник, 11 - крышка грязесъемника, 12 - проушина штока, 13 - втулка, 14 - уплотнение штока, 15 - крышка, 16 - шток, 17 -наконечник штока.
Манипулятор рукавный с поддержкой имеет наиболее простую конструкцию, но и максимальное гидравлическое сопротивление, которое обеспечивает применяемый в нем резиновый рукав.
Комбинированные манипуляторы телескопический и маятниковые снабжены гибким рукавами на конце, которые обеспечивают автома-
тическое копирование сложного профиля убираемой поверхности. Наиболее простой по конструкции комбинированный маятниковый манипулятор следует рекомендовать для применения МПУ малой производительности.
Сопротивление трубопровода пылеуборочной установки зависит от длины транспортировки материала. Особенностью разрабатываемых мобильных пылеуборочных установок является минимальная длина транспортировки материала, что в свою очередь обеспечивает ее минимальное гидравлическое сопротивление и энергозатраты в установке.
№ L Dу Q М
мм мм мз/час т/час
1 6000 100 1100 6,0
2 8000 150 2300 12,0
3 10000 250 6300 31,0
4 12000 300 9000 45,0
5 14000 350 12000 70,0
6 16000 400 14000 90,0
8 9 10 11 12
Рис. 8. Общий вид манипулятора большой производительности:
а): 1- насадок, 2- узел поворота, 3- кронштейн насадка, 4- гидроцилиндр насадка, 5-консоль, 6-опора консоли, 7-гидроцилиндр консоли, 8- переключатель консоли, 9-силовая магистраль, 10-перекла-дина, 11- опора перекладины, 12- гидроцилиндр консоли, 13- колона опорная, 14- гидроцилиндр колоны, 15- опора колоны, 16- кронштейн колоны, 17- кронштейн гидроцилиндра колоны
В настоящее время серийно МПУ в России не выпускаются. Реализация предложений, серийное изготовление мобильных пневмотранс-портных устройств, актуально для всей промышленности, позволяет получить многоплановый социальный, экологический и экономический эффект: 1) получать высокопроизводительный механизированный экологически чистый новый тип объемной уборки, обеспечивающий утилизацию пыли и профилактику аварий; 2) удалить опасный загрязнитель почвы и грунтовых вод- соль из процесса уборки дорог; 3) уменьшить количество отходов, путем их полезного вторичного использования и соответственно количества вырубаемой деловой древесины (для городских территорий); 4) решать проблему пылеуборки интеллектуальным способом; 5)
обеспечивать занятость науки и производства; 6) существенно улучшить культуру производства, 7) улучшить состояние среды обитания и условий работы жителей региона, 8) механизировать, а в перспективе и автоматизировать процесс пы-леуборки и ремонта дорог и территорий, 9) увеличить прибыль региону от реализации новой техники на сторону.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чертов, В.Г. Энергоресурсосберегающие мобильные пневмотранспортные установки /В.Г. Чертов// Междунар. научно-практ. конф., Техническое обеспечение буровзрывных работ. Сб. научн. тр. -Белгород: Гормаш, 2007. -17 с.
