Совершенствование виброконвейера для транспортировки сыпучих грузов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.867.52

БАБАНИН А.Я., д.т.н., доцент (Донбасская национальная академия строительства и архитектуры)

ШАМОТА В.П., д.т.н., профессор (Донецкий институт железнодорожного транспорта), ФАЛЬКО А.Л., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)

Совершенствование виброконвейера для транспортировки сыпучих грузов

Babanin A.YA., Dr. of Technical Sciences, Associate Professor (Donbas National Academy

of Civil Engineering and Architecture) Shamota V.P., Dr. of Technical Sciences, Professor (DRTI), Falko A.L., Associate Professor (DRTI)

Perfection of the vibrating conveyer for transportation of loose materials

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. Небольшие по объему сыпучие массы загружаются вручную, поскольку использование

механизированных средств не технологично и не рентабельно ввиду большой стоимости, значительным энергозатратам и массе, низкой мобильности такого оборудования [1].

Анализ последних 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.

Для повышения

производительности и частичной механизации ручного труда при загрузке на платформы небольших объемов сыпучих строительных масс авторами была предложена новая конструкция легкого, мобильного, технологически эффективного,

экономичного в работе конвейера с малой себестоимостью. Оригинальной идеей этой разработки стало использование ступенчатого рабочего органа [3,4], что позволило осуществлять стабильный процесс транспортировки сыпучего груза под углами наклона к горизонту до 400. Такая конструкция помогла преодолеть существенный недостаток

виброконвейера с плоской рабочей поверхностью, у которого процесс виброперемещения вверх при углах наклона более 100 невозможен.

Однако в процессе испытаний модели предложенного конвейера [3,4] выявился существенный недостаток. В некоторых случаях высокая частота колебаний грузонесущего органа при малой амплитуде приводила к тому, что при значительных углах наклона инерционное воздействие со стороны ступеней демпфировалось

(поглощалось) слоем сыпучего материала и было недостаточным для стабильного виброперемещения этого материала вверх по наклону рабочего органа. Решить эту проблему можно двумя способами. В первом случае можно снизить угол наклона конвейера при загрузке сыпучих масс, что неизбежно приведет к увеличению габаритов, массы, себестоимости, энергозатрат. Во втором случае следует увеличить амплитуду колебаний, что поможет преодолеть демпфирующее (поглощающее)

действие слоя сыпучего материала. Естественно, что второй вариант решения проблемы более рационален, однако увеличение амплитуды для инерционных (дебалансных) и электромагнитных вибраторов имеет пределы в несколько миллиметров. Применение же, например, пневматического вибропривода или редуктора с эксцентриковым возбудителем колебаний потребует сравнительно больших затрат на дополнительное оборудование,

сделает конструкцию тяжелой, сложной и дорогой.

Из всех типов виброприводов электромагнитные вибраторы

являются наиболее дешевыми, надежными, долговечными,

экономичными, имеют сравнительно

меньшую массу [2]. Существенным недостатком электромагнитных

вибраторов является малая амплитуда колебаний, которая ограничивает их использование. Поэтому увеличение амплитуды колебательного процесса рабочего органа вибромашин с электромагнитным приводом является актуальной научной задачей. С её решением возможно более широкое распространение использования

электромагнитного привода для многих технологических процессов во многих отраслях. В нашем случае возможность увеличить амплитуду предлагаемого виброконвейера [3,4] при использовании электромагнитного вибратора является приемлемым решением.

Цель работы

Целями статьи является обоснование применения нового принципа действия вибромашин с электромагнитным приводом [5] для использования в конструкции предлагаемого виброконвейера [3,4], предназначенного для использования на строительных работах в путевом хозяйстве и проведение аналитических исследований процесса перемещения сыпучего груза.

Основной материал

Применение в предлагаемом виброконвейере со ступенчатым рабочим органом [3,4]

модернизированного электромагнитного вибратора [5] позволит без изменения стандартной частоты электрического тока в сети снизить частоту колебаний рабочего органа вибромашины в 2 раза и, почти

соответственно, повысить амплитуду колебаний.

Для осуществления такой модернизации якорь однотактного электромагнитного вибратора

крепится снизу к рабочему органу. Предварительно внутренние рессоры вибратора удаляются, рабочий орган с якорем статически вывешивается на упругих элементах с расчетом на частоту собственных механических колебаний (25 Гц), вдвое меньшую стандартной частоты тока (50 Гц). Зазор между якорем и статором увеличивается на определенную величину.

Якорь вибратора (с рабочим органом) должен быть достаточно массивным и способным осуществлять собственные механические колебания с частотой V = 25 Гц (циклическая частота ш = 50л рад/с), вдвое меньшей стандартной частоты электрического тока, что достигается путем установления необходимого

соотношения колеблющейся массы т и коэффициента жесткости упругих элементов к :

При этом следует считать рабочий орган нагруженным, что отразится в значении т.

Возбудителем колебаний

является однотактный

электромагнитный вибратор, на статор которого подается выпрямленный (через диод) полупериодный ток с частотой 50 Гц. Если магнитной силы недостаточно для выведения якоря с рабочим органом из положения статического равновесия (по причине увеличенного зазора между якорем и статором), то это можно сделать

вручную, кратковременно надавив на рабочий орган, т.е. приблизив якорь к статору. Нагруженный рабочий орган выходит на рабочий режим работы без дополнительного ручного воздействия. После запуска машины на протяжении 5 - 6 с происходит самосинхронизация колебательного процесса якоря с рабочим органом под влиянием магнитной силы.

Осуществляется способ

снижения частоты колебательного процесса [5] согласно следующей схемы (рис. 1)

Нижний график на рис. 1 отображает колебание силы I выпрямленного полупериодного тока, с частотой 50 Гц (циклическая частота 100 рад/с). Нижняя часть этого графика, соответствующая

отрицательному значению I -заштрихована. Заштрихованные

полупериоды колебаний силы тока I не существуют по причине действия диода в электрической цепи статора. Верхние полупериоды,

соответствующие положительному значению I, обозначены знаком „+" -эти полупериоды силы тока I существуют.

Верхний график на рисунке 1 отображает амплитуду, А, колебаний якоря во времени. Отрицательные полупериоды амплитуды колебаний якоря (А), соответствующие ближайшему положению якоря к статору вибратора относительно положения статического равновесия якоря, обозначены знаком „+". Знак „+" означает, что в эти полупериоды силовое влияние магнитного поля достаточно большое для пополнения энергетических затрат на период собственных механических колебаний якоря.

Рис. 1 - Теоретические графики колебательного процесса

Таким образом, поддержка собственных механических колебаний якоря осуществляется в каждом периоде его колебаний в моменты ближайшего к статору положения. На рисунке моменты (участки) реального воздействия магнитной силы обозначены стрелками между нижним и верхним графиками. Полупериоды механических колебаний якоря, которые соответствуют

положительному значению

амплитуды, не имеют отметки „+", потому что они соответствуют нахождению якоря в удаленном от статора крайнем положении. В такие полупериоды магнитный поток не оказывает существенного влияния на колебательное движение по причине значительного удаления якоря от статора. Это удаление якоря от статора возникает за время отсутствия полупериода колебаний силы электрического тока (при увеличенной амплитуде А колебаний якоря). Таким

образом, существенное влияние на упругую колебательную систему (якорь с рабочим органом) оказывают силовые магнитные импульсы, которые чередуются через один период колебаний выпрямленного полупериодного электрического тока. Воздействие этих магнитных импульсов происходит при

прохождении якорем ближайшего к статору крайнего положения (в отличие от стандартного

электромагнитного вибратора, где поддержка колебаний якоря электромагнитной силой от статора осуществляется на протяжении почти всего периода колебаний). При этом расстояние между статором и положением статического равновесия якоря увеличено вдвое для учета увеличенной почти в 2 раза амплитуды механических колебаний якоря.

Для транспортировки сыпучих грузов вверх вдоль рабочего органа была использована новая конструкцию

рабочего органа из последовательно расположенных ступенек

определенной длины и высоты (рис. 2). В такой конструкции рабочего органа ступени ограничивают движение сыпучего материала вниз,

при вибротранспортировании всей сыпучей массы вверх по наклону колеблющегося в определенном направлении рабочего органа [3,4].

Рис. 2 - Схема конструкции виброконвейера

Согласно рис. 2 виброконвейер состоит из ступенчатого рабочего органа 1, ограниченного боковыми бортами 2 и статически вывешенного на упругих элементах 3, которые закреплены на раме 4. На раме 4 также закреплен статор однотактного электромагнитного вибратора 5. 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. Якорь вибратор 10 жестко соединен с рабочим органом 1 и благодаря упругим элементам 3 способен создавать направленное колебательное движение рабочего органа 1.

Работает устройство следующим образом. После крепления концом 6 в грунт, а верхним концом 7 к железнодорожной платформе и первичной загрузке рабочего органа при подаче электрического напряжения на статор 5 рабочий орган 1 за 5-6 секунд переходит в заданное колебательное движение. Сыпучий материал непрерывно вручную

загружается на нижнюю часть рабочего органа конвейера и под воздействием его колебаний перемещается вверх по ступенчатой поверхности и 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 приняты следующие 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 механически сцепляются между собой в слое материала, препятствуя скольжению вниз).

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 принять 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. Кроме того, наличие ударных нагрузок создавало бы шумы, негативно воздействующие на рабочих и окружающую среду.

Начаты аналитические

исследования [4] процесса

виброперемещения сыпучего

материала.

Для детального аналитического рассмотрения процесса

виброперемещения примем связанную со ступенькой рабочего органа подвижную систему координат XOY (рис. 3), в которой рассмотрим движение частиц сыпучего материала. Будем считать, что слой сыпучего материала является однородным по гранулометрическому составу.

Принимаем, что материальная точка массой т идеализирует слой сыпучего материала. Сопротивление воздуха не учитываем. На материальную точку действует сила веса О = mg (g - ускорение свободного падения), нормальная реакция N, сила инерции I, сила трения Етр .

Рис. 3 - Схема сил действующих на частицу.

Составим уравнение сил, которые действуют на материальную

точку на поверхности рабочего органа по осям ОХ и OY:

mx = I - G cos[90 - (a + /)] - Fmp = mAc2 sin ct - mg sin( a + //) - Fr

mp

(1)

my = N - G sin[90 - (a + /)] = N - mg cos(a + /)

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 = соБ(а + /), (2)

Силу трения определим из известного закона, с учетом (2):

Ршр =№ = со$(а + Р) , (3)

Подставив значение Ршр из (3) в

первое уравнение системы (1) и разделив его на т, получим дифференциальное уравнение

движения частицы на этапе скольжения по поверхности ступени:

<

x = Ac2 sin ct - gsin(a + /) - jugcos(a + /) (4)

Интегрируя (4) по dt , получим закон изменения скорости материальной точки на этапе скольжения:

х = -Аш[ообш^ - ооб (Ш0 ] - g(7 - 70)[вт( а + Р) + /лсо$(а + Р)] + х0, (5)

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 = -А[бш шг - бт шг0 ] + Ашсоб шг0 (г - г0)

-0^(г - г0 )2 [>т( а + Р) + ц соб(а + Р)] + х0 (г - г0) + х0, (6)

где х0 - начальная координата движения на каждом этапе скольжения вдоль ОХ, будем считать х0 = 0 в

момент 7о .

Момент начала скольжения 7о определим из уравнения (4), приравняв его к нулю

g

% = шг0 = агсБт[-^(эпХ а + Р) + [ соБ(а + Р))] (7)

Аш

Процесс ссыпания на верхнюю ступеньку начинается с момента %0 = шг0 (фазовый угол начала этапа скольжения) до момента % = шг1 (фазовый угол конца этапа скольжения) в каждом периоде колебаний частицами сыпучей массы, достигшими края рабочей поверхности ступени. После ссыпания частицы

движутся в сыпучем слое до края следующей ступени.

Для определения момента остановки скольжения

% = согх необходимо приравнять

скорость скольжения - уравнение (5) при % = % = (Ы1 к нулю

- Аш[соб шгх - соб шг0 ] - g(^ - г0 )[Бт( а + Р) + л соБ(а + Р)] = 0 (8)

Решить такое уравнение (8) лучше всего методом

последовательных приближений в МаШсаё.

Определив значения фазовых углов <р0 по (7) и % из (8) подставим их в формулу (6) и с учетом начальных

нулевых значений получим материальной точки (слоя сыпучего

аналитическое выражение для груза) за этап скольжения:

определения перемещения

х01 = -A[sin otx - sin ot0] + A o cos ot0 (tx -t0)

-0,5g(tx -10 )2[sin( a + P) + jcos(a + P)] , (9)

Среднюю скорость

виброперемещения сыпучего груза вдоль оси Х (их) можно найти как отношение перемещения на этапе скольжения х к времени периода

колебаний рабочего органа Т = .

с

Однако результирующий вектор

виброперемещения груза направлен не вдоль оси Х по ступеням, а вдоль наклона рабочего органа к горизонту, т.е. отличается от направления скольжения на угол / (рис.3). В таком случае средняя скорость

виброперемещения составит:

х Ao Ао

U = UX cos P = — cos P =--[sin Otr - sin OtQ ]cos P +-cos OtQ (tj - t„ )cos P

Т 2ж 2ж

°g,+ , 42

(h -10)2[sin( a + P) + ucos(a + P)]cosP

4n

Тогда теоретическую

производительность можно

Q = 3600USas^ =

(10)

определить в соответствии с известной методикой [2]:

= 3600Sas^

A— . _ Ао2 , ч _

-[sin otx - sin ot0 ]cos P +--cos ot0 (tx -10 )cos P

2n 2n

-—(4 - t0 )2[sin( a + P) + ju cos(a + P)]cos P 4n

(11)

где S - площадь поперечного сечения грузонесущего органа, м;

Щ - коэффициент заполнения поперечного сечения грузонесущего органа виброконвейера, для грузонесущего органа открытого типа с прямоугольным сечением

Щ = 0,6 - 0,8;

а - введенный авторами коэффициент, учитывающий влияние увеличения угла наклона рабочего органа к горизонту на снижение высоты слоя продукта (скатывание груза вниз при углах наклона приблизительно более 350), зависит от угла наклона и от вида продукта (геометрической формы единиц сыпучего продукта), должен

определяться экспериментально при различных углах для различных продуктов.

Выводы

1. Обоснованы принцип действия и конструкция нового виброконвейера. Разработанная ступенчатая конструкция рабочего органа в сочетании с принятым режимом виброперемещения позволяет устранить недостаток вибрационных конвейеров и транспортировать грузы под углами значительно более 10° к горизонту.

2. Обоснован и выбран режим виброперемещения, предложена оригинальная конструкция вибропривода.

3. Проведены базовые аналитические исследования процесса перемещения сыпучего груза по ступенчатой поверхности рабочего органа. Предложена методика расчета средней скорости виброперемещения сыпучего груза в заданном режиме движения и соответствующей теоретической производительности предлагаемого виброконвейера.

Список литературы:

1 Технология железнодорожного строительства: Учебник для ВУЗов /Э.С. Спиридонов, А.М. Призмазонов, А.Ф. Аккуратов, ТВ. 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 (Иа). 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 А Л. Обоснование конструкции и режима работы, определение производительности виброконвейера со ступенчатым рабочим органом. / Сборник научных трудов ДонИЖТ № 41. -2016 г. - Донецк. ДонИЖТ. - с.45-51.

5 Пат. 70727 (Иа). Споаб зниження частоти коливань / О-ш Л. Фалько - Бюл. № 10. - 2004.

Аннотации:

В статье представлена конструкция нового виброконвейера для загрузки строительных сыпучих масс на железнодорожные платформы. В конструкции легкого мобильного виброконвейера использован ступенчатый рабочий орган. Проведены аналитические исследования 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.

Keywords, the shaking conveyor, vibrating transportation, loading on railway platforms.