автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Шнековый питатель для подачи пластичных и пылевидных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)

ШНЕКОВЫЙ ПИТАТЕЛЬ ДЛЯ ПОДАЧИ ПЛАСТИЧНЫХ И ПЫЛЕВИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.05.05 - Подъемно-транспортные машины

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ЕВСТРАТОВА Наталья Николаевна

УДК 621.867.423.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор технических наук

ЗАГОРОДНЮК В.Т.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

доцент, кандидат технических наук

ЕРЕЙСКИЙ В. Д.

Новочеркасск, 1999

15

21

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 4

1 ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВОПРОСАМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, РАБОТЫ И ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШНЕКОВЫХ

ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ МАШИН 9

1.1. Технологические машины со шнековыми транспортирующими органами 9

1.2. Анализ условий работы и конструкций шнековых питателей

1.3. Анализ физических свойств транспбртй|)уемы-х пластич-пых и пылевидных материалов

1.4. Обзор литературных источников по теории проектирования шнековых транспортирующих машин. 27

1.5. Выводы. Задачи исследования. 31 2. ОБОСНОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ШНЕКОВЫХ

ПИТАТЕЛЕЙ 34

2.1. Исследование свойств транспортируемого материала 35

2.2. Исследование движения материала в шнековом питателе 38

2.3. Исследование влияния соотношения размеров направляющих и интервалов между ними на направление движения транспортируемого материала 64

2.4. Исследование влияния угла установки направляющих на направление движения материала. 68

2.6. Выводы. 73

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВОГО

ПИТАТЕЛЯ 75

3.1. Обоснование принятой структурной схемы шнекового пи-

75

тателя '

3.2. Критериальный анализ и составление целевой функции. 82

3.3. Факторный анализ и построение математической модели работы шнекового питателя. 86

3.4. Выводы 101 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ 103

4.1. Задачи экспериментальных исследований и производственных испытаний. 103

4.2. Методика проведения экспериментальных исследований 104

4.3. Результаты экспериментальных исследований. 1X8

4.4. Методика, проведение и результаты производственных испытании. 122

4.5. Выводы. 125 ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 127 Список литературы 129 Приложения 137 Программные продукты 138 Акт заводских испытаний 143 Протокол заводских испытаний 145 Акты внедрения 154

ВВЕДЕНИЕ

Высокопроизводительная работа современного предприятия невозможна без правильно организованного и надёжно работающего промышленного транспорта. На предприятиях стройиндустрии, химической, машиностроительной, пищевой и других отраслей промышленности транспортирование пылевидных, взрывоопасных, порошкообразных и мелкокусковых насыпных грузов выполняется преимущественно винтовыми конвейерами (шнеками).

Кроме винтовых конвейеров широкое распространение получили шнековые питатели, применяемые в различных технологических процессах в виде самостоятельных машин или в виде агрегируемых узлов технологических машин. Питатели предназначены для равномерной непрерывной подачи материалов в дробильно-помольные, формующие и другие технологические машины или на транспортирующие устройства. Питатели перемещают материал на небольшие расстояния (1,5 - 2 м) и, часто, кроме основной функции - транспортирования материала, выполняют также различные вспомогательные: перемешивание, разрыхление, уплотнение. Питатели обеспечивают заданный ритм технологического процесса и позволяют механизировать и автоматизировать производство.

Достоинства шнековых питателей, такие как непрерывность подачи, герметичность, простота конструкции, возможность создания избыточного давления на выходе из шнека, возможность агрегирования с другим оборудованием, обусловили их широкое применение во многих отраслях промышленности в различных технологических процессах.

Основным недостатком шнековых питателей является низкая производительность из-за сообщения шнековой лопастью транспортируемому

материалу не только поступательного движения, но и вращательного, что приводит к проворачиванию материала вместе со шнеком. Особенно существенно этот недостаток проявляется при транспортировании влажных, пластичных и пылевидных материалов.

Для повышения производительности шнековых питателей, подающих пластичные и пылевидные материалы, применяются различные устройства: контрножи, гребенки, скребки, очищающие шнеки, а также внутренняя поверхность шнековой полости выполняется не гладкой, а рифленой. Все рассмотренные устройства либо малоэффективны, либо существенно усложняют конструкции шнековых узлов. Вращательное движение материала снижает производите.' 1ьность и увеличивает мощность, потребляемую машиной.

Актуальность данной работы обусловлена тем, что в настоящее время не существует простых, надежных и высокоэффективных шнековых питателей для подачи пластичных и пылевидных материалов.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования тннекового питателя для подачи влажных, пластичных и пылевидных материалов, путем формирования условий, способствующих уменьшению сил трения между материалом и внутренней поверхностью корпуса питателя на направлении продольной оси питателя.

Идея работы - уменьшение сил трения между материалом и внутренней поверхностью корпуса питателя на направлении продольной оси питателя за счет формирования на этой поверхности трения скольжения вместо

трения покоя.

Методы исследования: Теоретический анализ процесса транспортирования материала в шнековом питателе с использованием методов теоре-

тической механики, сопротивления материалов, механики грунтов, математического моделирования. Лабораторные и промышленные испытания с применением тензометрических и электрических методов измерения параметров.

На защиту выносятся

- теоретические положения об особенностях формирования сил трения в направлениях продольной оси питателя и окружной скорости шнека между материалом и внутренней поверхностью корпуса питателя и закономерностях движения материала по внутренней поверхности корпуса питателя при изменении сил трения;

- способ уменьшения сил трения между материалом и внутренней поверхностью корпуса питателя на направлении продольной оси питателя;

- структурная схема шнекового питателя, обеспечивающая уменьшение сил трения между материалом и внутренней поверхностью корпуса питателя на направлении продольной оси питателя;

- математическая модель функционирования шнекового питателя для определения оптимальных геометрических параметров его рабочих органов в зависимости ог свойств транспортируемого материала;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований движения материала по внутренней поверхности корпуса шнекового питателя при различных условиях формирования сил трения;

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы основывается на применении комплекса современных методов исследований, включая: анализ и научное обобщение выполненных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросу; применение современных вычислительных методов; и подтверждается достаточным объ-

емом экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований (расхождение не превышает 9 %).

Научная новизна. Заключается в разработке теоретических положений об условиях формирования сил трения при движении материала по внутренней поверхности корпуса питателя в направлениях продольной оси питателя и окружной скорости шнека и закономерностях движения материала по внутренней поверхности корпуса питателя при изменении коэффициентов трения.

Доказана возможность повышения производительности шнекового питателя и снижения удельных энергозатрат транспортирования путем формирования условий, способствующих уменьшению сил трения между материалом и внутренней поверхностью корпуса питателя на направлении продольной оси питателя.

Разработаны математическая модель, алгоритм и программа определения оптимальных параметров рабочих органов шнекового питателя из условия максимальной производительности при минимальных удельных энергозатратах в зависимости от свойств транспортируемого материала и условий эксплуатации машины.

Практическое значение и реализация работы. Разработанный шнековы й питатель может быть использован для транспортирования влажных, пластичных и пылевидных материалов.

Предложенная математическая модель шнекового питателя позволяет определить его оптимальные параметры для различных транспортируемых материалов и давления на выходе из шнековой полости.

Применение разработанного шнекового питателя на предприятиях строительной индустрии и пищевой промышленности г. Шахты обеспечивает реальный экономический эффект за счет увеличения производительности и уменьшения удельных энергозатрат транспортирования.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно - технических конференциях профессоре ко - преподавательского состава НГТУ, 1994, 1997, 1998, 1999 г.г.

- совместном заседании кафедр «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника» и «Подъемно-транспортные машины и роботы»

НГТУ, 1998 г.

Публикации, По теме диссертации опубликованы девять печатных работ.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВОПРОСАМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, РАБОТЫ И ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ШНЕКОВЫХ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ МАШИН

1.1. Технологические машины со шнековыми транспортирующими органами

Машины со шнековыми транспортирующими органами широко применяются во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства в различных технологических процессах.

На предприятиях с массовым и крупносерийным производством межцеховое и внутрицеховое транспортирование выполняется винтовыми транспортёрами (шнеками). Бинтовые конвейеры, широко применяемые для транспортирования пылевидных, взрывоопасных, порошкообразных, мелкокусковых и пластичных материалов, выполняют горизонтальными или пологонаклонными под углом 20 град, (основной тип) и вертикальными или крутонаклонными [1] .

К преимуществам винтовых конвейеров относятся простота устройства и несложность технического обслуживания, небольшие габаритные размеры, герметичность, что особенно важно при перемещении пылящих, остропахнущих грузов, возможность загрузки и разгрузки в любом месте по длине, невысокая стоимость.

Недостатками винтовых конвейеров являются связанный со способом перемещения высокий удельный расход энергии, значительное истирание и измельчение груза, повышенный износ шнека. Основным недостатком является сообщение шнековым валом транспортируемому материалу не только поступательного движения, но и вращательного, что приводит

к проворачиванию материала вместе со шнеком, и, следовательно, к снижению производительности конвейера [2].

Для равномерной и непрерывной подачи различных материалов в технологические машины и на транспортирующие устройства во многих отраслях промышленности применяются шнековые питатели [3].

В машиностроении шнековые питатели применяются в автоматических линиях производства болтов для транспортировки высаженных заготовок на последующие автоматы линии и для транспортирования стружки от металлообрабатывающих станков [3]. При этом токарные автоматы размещаются на линии общей цеховой транспортной магистрали со шнеками смонтированными в траншее под полом. Коэффициент заполнения шнеко-вой полости этих питателей низок и транспортируемый груз совершает поступательное движение вдоль оси шнека. Шнековые питатели эффективны как для дроблёной стружки, так и для стружки в виде спиралей, если на выходном конце шнека нет опоры. При наличии опор наблюдается забивание выхода стружкой, возможно случайное попадание посторонних тел, повреждение шнека и выход из строя привода шнека.

В промышленности строительных материалов шнековые питатели используются для транспортирования и смешивания компонентов в установке для изготовления листов сухой гипсовой штукатурки [3]. Сплошные и прерывистые шнеки применяются в стане для изготовления железобетонных изделий методом проката [4]. В вибросмесительных установках предусмотрены шнековые питатели для подачи и дозирования карьерного и тонкомолотого песка. Пневмомеханический разгрузчик, применяющийся в универсальной схеме выгрузки цемента из вагонов, содержит горизонтальный шнековый питатель. На цементных заводах при производстве цементного клинкера получили широкое распространение шнековые питатели [4],

которые используются для подачи сырьевой муки на весы, для подачи материала к грануляторам и для транспортирования угольной пыли к зажигательному устройству. Шнековый питатель применяется для транспортирования и прессования асбестоцементной смеси в экструдере - основной машине в производстве асбестоцементных изделий [3]. Подача влажных и пылевидных материалов шнеком затруднительна, вследствие их налипания на шнек. Под воздействием крутящего момента, передаваемого шнеком, материал совершает вращательное движение вокруг оси шнека, что снижает производительность питателей и повышает расход энергии.

Шнековые питатели используются в технологических комплексах по приготовлению бетонов и строительных растворов на бетонорастворных заводах. Здесь они выполняют функции транспортирующих и распределяющих механизмов[6]. Шнековый питатель является составной частью машины непрерывного действия для приготовления известкового молока и кроме транспортирования осуществляет также перемешивание материала. В бетоноукладчиках, используемых при производстве железобетонных труб, применяются шнековые питатели для подачи бетонной смеси в форму [4].

Основной машиной в технологической линии по производству глиняного кирпича является ленточный шнековый пресс, одним из агрегатов которого является шнековый питатель [7]. Пресс состоит из приёмной коробки 1 (рис. 1.1.), служащей для приёма подаваемой в пресс глиняной массы и питающего валка 2, обеспечивающего надёжный захват массы витками шнекового вала 3. К приёмной коробке крепится на болтах корпус питателя 4, внутри которого проходит вал со шнековой лопастью 3. Глиняная масса, захватываемая лопастью шнека, при его вращении перемещается по направлению к формующим элементам пресса; конической головке 5 л

мундштуку 6. Избыточное давление на выходе из шнека (1 - 1,5 Мпа), необходимое для формования глиняного бруса, приводит к тому, что транспортируемая глиняная масса движется в питателе по спирали, со значительным отклонением от оси шнека. Угол между осью шнека и направлением движения материала составляет 75 - 80 градусов [3].

Карагавдинский политехнический институт в содружестве с комбинатом «Карагандашахтострой» сконструировали, изготовили и внедрили передвижную машину для возведения монолитной бетонной крепи горизонтальных горных выработок со шнековым емешивающе-транспортирующим рабочим органом [8]. Цемент и заполнители из дозаторов поступают в смешивающе-транспортируюший рабочий орган и перемешиваются шнеком, перемещаясь вверх по трубе к разгрузочному лотку. Перемешивание сухих компонентов производится до середины смеши-вающе-транспортирующего устройства (зона сухого смешивания). После смачивания водой из разбрызгивателя бетонная смесь, перемешиваясь, движется равномерно к выходу.

В химической промышленности комплекс шнековых питателей составляет неотъемлемую часть установки для кальцинации с ретурным питанием содовых печей. В установке для производства тяжёлой соды увлажнённая сода в смесителе превращается в крупнокристаллический влажный моногидрат, который шнеком направляется в барабан содовой печи. Шнековые питатели применяются в технологических процессах производства суперфосфата непрерывным способом л хлористого калия для транспортирования сильвинита и перемешивания его с раствором.

Об использовании шнековых питателей в пищевой промышленности можно судить на примере комплексной механизации технологических процессов и транспортных операций на маслодобывающих заводах. Здесь, по-

мимо шнековых питателей, являющихся функциональными узлами основного технологического оборудования (пресса, распарочной машины, испарителя), установлены шнеки в составе 28 устройств [2]. Шнеки имеют широкое применение в тестоприготовительных агрегатах. Мука подаётся шнековым питателем из бункера в смеситель. Специальный шнек перемещает закваску из бункера в сборник, а из него шнековый питатель, исполняющий также дозирующу