Обгрунтування параметрів робочого органу вібраційного конвеєра сушильних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обгрунтування параметрів робочого органу вібраційного конвеєра сушильних установок

Дніпропетровськ - 2005

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сушіння матеріалів гірничого виробництва - одна з основних операцій підготовчих і заключних процесів збагачення корисних копалин. Відомо, що процес зневоднювання на порядок менш енергоємний у порівнянні з процесом сушіння. В той же час, зневоднювання не може забезпечити ту глибину видалення вологи, яка досягається під час сушіння.

Сушіння матеріалу може здійснюватися безпосередньо в дробильному апараті або в окремій сушильній установці. Економічність процесу сушіння залежить від багатьох факторів: часу перебування матеріалу в сушильній камері, його температури і ступеня вологості, розміру частинок, площі контакту сушильного середовища з об'єктом сушіння, виду контактів - твердотільного або газодинамічного. Досвід показує, що високу економічність й ефективність для сушіння сипких матеріалів мають вібраційні сушильні установки з подачею гарячого повітря крізь віброкиплячий шар.

Вібраційна сушильна установка складається з вібраційного конвеєра, шлюзових живильників, пальника, циклонів, вентиляторів і фільтрів. Основним робочим вузлом установки є вібраційний конвеєр. Підвищення ефективності роботи вібраційного конвеєра може бути здійснено шляхом розробки методів розрахунку, вибору його конструктивних і динамічних параметрів з урахуванням додаткових чинників, пов'язаних з наявністю повітряних потоків і зміною властивостей матеріалу в процесі сушіння, що впливають на його поведінку при транспортуванні по робочому органу. В даний час ці чинники при розрахунках і проектуванні таких машин не враховуються, що впливає на якість і глибину сушіння матеріалу.

На підставі вищевикладеного встановлення залежностей між основними технологічними показниками роботи вібраційного конвеєра сушарки, що впливають на процес сушіння, розвиток методів розрахунку конструктивних і динамічних параметрів робочого органа з урахуванням впливу повітряних потоків і властивостей матеріалу є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов'язана з одним із наукових напрямів кафедри гірничих машин Національного гірничого університету і виконана за матеріалами господарського договору теми №0205101 «Розробка і впровадження технологічної лінії виробництва крейди ММС-2» на ЗАТ «Новгород-Сіверський завод будівельних матеріалів», 2000-2003 рр., № держреєстрації 0104U000789.

Мета роботи - підвищення ефективності роботи вібраційного конвеєра сушильної установки шляхом вибору раціональних геометричних і динамічних параметрів з урахуванням впливу потоку повітря і вологості матеріалу.

В роботі розв'язуються наступні основні завдання:

? теоретичні дослідження впливу динамічних і конструктивних параметрів вібраційного конвеєра на швидкість транспортування матеріалу з урахуванням впливу його вологості й потоку повітря;

- створення лабораторного зразка вібраційної сушильної установки й експериментальне дослідження параметрів його роботи;

- обґрунтування раціональної конструктивної схеми вібраційного конвеєра сушильної установки;

- розробка і апробація в лабораторних і дослідно-промислових умовах методики розрахунку і вибору параметрів вібраційного конвеєра сушильної установки;

- впровадження вібраційної сушильної установки в технологічну лінію виробництва крейди.

Об'єкт дослідження - процес транспортування матеріалу на робочому органі вібраційного конвеєра сушильної установки.

Предмет дослідження - взаємозв'язок геометричних, динамічних параметрів руху робочого органа вібраційного конвеєра і повітряних потоків із швидкістю транспортування матеріалу.

Ідея дисертаційної роботи полягає у додатковому комплексному урахуванні потоків повітря і властивостей матеріалу при визначенні швидкості вібраційного транспортування.

Методи досліджень. Поставлені завдання вирішувалися шляхом використовування системного підходу в теоретичних дослідженнях параметрів робочого органа за допомогою аналітичного апарата теоретичної механіки, аеродинаміки, теорії коливань. Експериментальні дослідження здійснювалися шляхом визначення умов ефективного транспортування матеріалу, аналізу й узагальнення результатів вимірів, проведених на лабораторній установці. Обробка отриманих даних, встановлення адекватності аналітичних залежностей і вірогідності результатів здійснені на ПЕОМ з використанням стандартних методів математичного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів

Наукове положення, що виноситься на захист:

Подача повітря в камеру вібраційного конвеєра сушильної установки призводить до зміни швидкості транспортування по робочій поверхні; його вплив враховується як еквівалентна зміна прискорення земного тяжіння, пропорційна квадрату швидкості проходження потоку через щілини жалюзі і обернено пропорційна середньому розміру частинок матеріалу.

Новизна отриманих результатів:

1. Вперше отримано аналітичні залежності для визначення швидкості вібраційного переміщення матеріалу з урахуванням впливу потоку повітря, згинальних коливань робочого органа і вологості продукту.

2. Вперше встановлено, що подача теплоносія в камеру віброконвеєрної сушильної установки зі швидкістю понад 10 м/с призводить до нерівномірної дії його на транспортований матеріал і порушенню швидкісних характеристик руху матеріалу по робочій поверхні.

3. Вперше встановлено, що забезпечення швидкості вібраційного переміщення матеріалу у зв'язку зі зміною його вологості по довжині конвеєра можна робити регулюванням кута нахилу жалюзі робочої поверхні.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій базується на використанні сучасних методів математичного моделювання і порівнянні аналітично отриманих результатів з експериментальними даними, розбіжність з якими по швидкості вібраційного транспортування матеріалу не перевищує 20%.

Наукове значення роботи зводиться до розробки аналітичних залежностей для визначення швидкості транспортування матеріалів з урахуванням динамічних параметрів робочого органа, властивостей матеріалу і швидкості повітря, що подається у вібраційний конвеєр сушильної установки, а також визначення фізичної картини руху матеріалу і повітряних потоків у робочій камері.

Практичне значення роботи полягає в розробці методики розрахунку параметрів вібраційного конвеєра сушильної установки для настроювання технологічного режиму транспортування матеріалу на робочому органі з урахуванням повітряних потоків й змінюючої по ходу руху вогкості.

Реалізація результатів. Результати дисертаційної роботи були використані при створенні дослідно-промислових зразків вібраційних сушильних установок, впроваджених в технологічній лінії виробництва крейди ММС-2 на ЗАТ «Новгород-Сіверський завод будівельних матеріалів».

Особистий внесок автора. Встановлено суттєвий вплив дії потоків повітря, вологості та крупності матеріалу, динамічних параметрів робочого органа на час перебування матеріалу в камері вібраційної сушильної установки. В явному вигляді отримано аналітичні залежності для визначення швидкості транспортування матеріалу з урахуванням зазначених факторів. Розроблено і виготовлено лабораторний зразок вібраційної сушарки і проведено експериментальні дослідження впливу комплексу чинників на швидкість транспортування матеріалу.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи докладалися і отримали позитивну оцінку на міжнародній науково-технічній конференції «Проблемы механики горно-металлургического комплекса» (Дніпропетровськ, 2002), на науково-технічному семінарі «Потураєвські читання» (Дніпропетровськ, 2004), на наукових семінарах кафедри гірничих машин Національного гірничого університету (Дніпропетровськ, 2001-2004), на НТР ЗАТ «Новгород-Сіверський завод будівельних матеріалів» (Новгород-Сіверський, 2002-2003).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 3 статті, тези доповіді на міжнародній науково-технічній конференції, одержано один деклараційний патент України.

Обсяг і структура роботи. Дисертація містить 175 сторінок і складається із вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних джерел із 65 найменувань і двох додатків. Текстова частина викладена на 141 сторінці і містить 61 рисунок і 5 таблиць.

Основний зміст роботи

вібраційний конвеєр сушильний транспортування

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету й основні завдання дослідження, викладено наукове положення, що висунуто на захист, наукова новизна матеріалів, надано наукове й практичне значення роботи, наведено результати апробації.

У першому розділі проведено огляд існуючих типів і конструкцій сушильних установок, особливостей їх роботи і сучасного стану досліджень конвеєрів вібраційних сушильних установок.

До сушильних установок для роботи у всіх галузях промисловості (гірничій, хімічній, будівельній, сільськогосподарській і т. п.) пред'являються наступні вимоги: висока продуктивність, мале споживання електроенергії і витрати газу, висока ефективність сушіння, довговічність машини.

Зі всього різноманіття конструктивних схем у даний час найбільш повно відповідають промисловим вимогам вібраційні сушильні установки. Для малотоннажного виробництва при роботі з сипкими матеріалами найперспективнішою є сушильна установка з віброконвеєром у ролі сушильного агрегату. Доцільно використовувати віброконвеєр з направленими коливаннями і газорозподільною решіткою у вигляді жалюзі.

Більшу гнучкість в регулюванні параметрів вібропереміщення мають вібраційні пристрої зі збудженням направлених коливань під кутом до робочої поверхні. Основи теорії таких систем викладено у ряді робіт шкіл І.І. Блехмана, Г.Ю. Джанелідзе, В.М. Потураєва, В.П. Франчука, В.П. Надутого, В.І. Дирди, А.Г. Червоненка, В.Г. Сансієва, Д.Є. Бороховича та ін. В теорію і практику вібраційних сушарок великий внесок зробили вчені В.А. Членов, М.В. Михайлов, Н.І. Сиромятников та ін.

Але у відомих роботах не враховувався ряд чинників, пов'язаних з механічною дією на шар частинок потоку повітря і зміну властивостей переміщуваного по конвеєру матеріалу внаслідок зміни його вологості.

На підставі проведеного аналізу теоретичних і експериментальних робіт по вібраційних сушильних установках, вивчення досвіду їх експлуатації і можливих напрямів вдосконалення методів розрахунку конструктивних параметрів віброконвеєрів сформульовані завдання дослідження.

Другий розділ присвячений визначенню параметрів вібраційного переміщення насипного матеріалу по робочій поверхні вібраційної сушильної установки з урахуванням впливу ряду чинників, таких як швидкісні характеристики повітряного потоку, гранулометричний склад матеріалу, його фізико-механічні властивості (вологість, липкість), вигляд, стан і режим коливань робочої поверхні.

При дослідженні параметрів вібротранспортування приймається ряд допущень, які значно спрощують аналітичні викладки і в той же час забезпечують достатню для інженерних розрахунків точність кінцевих результатів. Вважаємо шар матеріалу тонким, висота якого не перевищує трьох середніх кусків. Тому пошаровий рух не враховується і сипка маса уявляється одиничними частинками по товщині, що наділені деякими властивостями насипного вантажу: коефіцієнт тертя куска об робочу поверхню вібраційної сушильної установки рівний коефіцієнту тертя насипного вантажу, відрив матеріалу відбувається із запізнюванням, удар частинки об робочу поверхню після польоту (під час руху матеріалу з відривом) - абсолютно непружний.

Розглядається рух матеріалу по робочій поверхні вібраційної сушильної установки, що здійснює прямолінійні гармонійні коливання із заданою амплітудою А і частотою щ, під кутом до робочої поверхні, нахиленої під кутом до горизонту. Особливістю роботи вібраційної сушильної установки є вплив повітря, яке, проникаючи крізь перфоровану поверхню, діє на частинки матеріалу додатковою силою P.

Враховуючи особливості конструкції робочої поверхні вібраційного конвеєра сушильної установки, можна виділити два характерні випадки транспортування матеріалу:

· транспортування крупнокускових матеріалів, коли куски перекривають більше двох щілин робочої поверхні;

· транспортування дрібнодисперсного матеріалу, розмір частинок якого значно менше ширини полиці жалюзі.

З урахуванням зроблених допущень розрахункова схема для визначення параметрів руху матеріалу має вигляд, наведений на рис. 1.

Вибрана система координат X0Y, пов'язана з робочою поверхнею вібраційного конвеєра.

Використовуючи принцип Даламбера і проектуючи сили на осі 0Х і 0У, отримаємо рівняння руху крупнокускових частинок відносно робочої поверхні

Враховуючи особливості взаємодії дрібнодисперсного матеріалу з робочою поверхнею, рівняння (1) матимуть вигляд:

У цих виразах sign(v) визначає знак напряму потоку повітря в щілинах жалюзі.

Тут кути напряму коливань ₁ і нахилу робочої поверхні до горизонту ₁ визначаться як

Щоб не обтяжувати викладки, надалі розглядатимемо випадок переміщення крупнокускового матеріалу. Одержані при цьому вирази цілком прийнятні і для визначення параметрів вібротранспортування дрібнодисперсного матеріалу, якщо в них замінити на ₁ та на ₁.

Оскільки система координат Х0У пов'язана з робочою поверхнею, сила інерції транспортованого матеріалу

а силу тиску Р повітря на частинку, вважаючи її круглою, можна уявити у вигляді

де p - питомий тиск повітря при виході через щілину робочої поверхні;

- густина матеріалу, що підлягає сушінню;

m і d - маса і середній розмір частинки матеріалу.

Тиск потоку повітря на частинку матеріалу визначається як його аеродинамічний напір, тобто

де v - швидкість потоку повітря; с_п - густина повітря.

Силу тертя матеріалу об поверхню виконавчого органа вібраційної сушильної установки, згідно з гіпотезою Кулона-Амантона, вважаємо пропорційною силі нормального тиску, тобто

де f - коефіцієнт тертя.

Параметри вібраційного переміщення матеріалу багато в чому визначаються так званим «коефіцієнтом вібротранспортування», який для нашого випадку (з урахуванням впливу потоку повітря) матиме вигляд

При Г₁<1 здійснюється режим руху матеріалу без відриву від робочої поверхні, а при Г₁>1 рух матеріалу відбувається з відривом від робочої поверхні (в цьому випадку спостерігається так званий режим віброкиплячого шару).

При дослідженні руху матеріалу без відриву від робочої поверхні, за аналогією з коефіцієнтом вібротранспортування Г₁ під час руху матеріалу з відривом, введемо поняття вібротранспортування при безвідривному режимі вперед Z₊ і назад Z_?

де - кут тертя матеріалу об робочу поверхню

- розмірний коефіцієнт (м/с²), що враховує вплив потоку повітря

.

Тоді з розв'язання системи рівнянь (1) визначимо шлях, пройдений частинкою матеріалу за період її руху вперед

і шлях, пройдений матеріалом за період руху назад

.

Тут - фазні кути, відповідні початку руху матеріалу вперед і назад; - фазні кути, відповідні закінченню руху матеріалу вперед і назад. Вони визначаються з виразів

,

Швидкість переміщення матеріалу при безвідривному русі визначиться як

де - повне переміщення матеріалу за період коливань.

Швидкість переміщення матеріалу в режимі з відривом від робочої поверхні визначиться за аналогічною залежністю

де, у свою чергу

,

а величина фазного кута зустрічі _в матеріалу визначиться з трансцендентного рівняння

,

де - коефіцієнт, що враховує запізнювання відриву матеріалу внаслідок «налипання» на робочу поверхню.

Криві залежності швидкості руху матеріалу від швидкості потоку повітря по довжині короба показують, що зі зміною тиску повітря по довжині конвеєра при його виході через щілини жалюзі змінюється швидкість транспортування матеріалу по довжині робочої поверхні. Крива Д₂₀ показує, що при швидкості подачі повітря 20 м/с матеріал по довжині робочої поверхні транспортується найбільш нерівномірно, а мала швидкість на початку конвеєра пояснюється тим, що тут повітря через щілини жалюзі направлено проти руху матеріалу (дані щодо швидкості повітря узяті з експерименту).

Оскільки виконавчий орган має велику протяжність, він зазнає згинальні коливання. Також, при незбіжності напрямку вектора збурюючої сили з центром ваги виконавчого органа з'являються й поворотні коливання під дією вертикальної складової цієї сили. Це призводить до зміни вертикальної амплітуди коливань А_у по довжині виконавчого органа. В поздовжньому напрямку виконавчий орган коливається як абсолютно тверде тіло.

У зв'язку з тим, що при урахуванні згинальних і поперечних коливань амплітуда нормальних до поверхні робочого органу коливань змінюється, рівняння, що описують рух матеріалу, дещо видозмінюються, в порівнянні з виразами (7, 12-14). Найбільш просто перетворити ці рівняння можна, якщо замінити вертикальну складову амплітуди коливань короба як жорсткого тіла величиною А_у, а горизонтальну - величиною А_х.

Виходячи з цього, розв'язана задача і одержана аналітична залежність для визначення параметрів руху виконавчого органа в кожній точці по його довжині з урахуванням поворотних коливань і вигину робочого органа під дією зосередженої змушуючої сили.

У третьому розділі наведено результати лабораторних досліджень взаємодії повітряних потоків з матеріалом, а також впливу параметрів робочого органа і фізико-механічних властивостей матеріалу на швидкість його транспортування.

Експериментальні дослідження проводилися на лабораторному зразку вібраційної сушильної установки, розробленої та виготовленої автором в НГУ. Конструктивна схема сушарки наведена на рис. 6.

При вихідній вологості крейди 20-25% на першій стадії сушіння був одержаний продукт вологістю до 11%, на другій стадії - 1-5%. Вібросушильні установки виконували покладені на них функції. Компенсація температурного розширення по довжині короба здійснювалася стійко при подачі повітря з температурою до 400^оС.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача обґрунтування параметрів вібраційної сушильної установки, що забезпечує транспортування матеріалу з урахуванням впливу дії потоку повітря, коливань і вигину робочого органа, зміни вологості продукту.

Основні наукові результати і висновки:

1. Встановлені закономірності й одержані аналітичні залежності визначення параметрів вібраційного переміщення матеріалу, що враховують динамічні характеристики вантажонесучого органу з урахуванням його згинальних коливань, впливу потоків повітря, вологості (липкості) й крупності матеріалу, кута нахилу жалюзі робочої поверхні.

2. Експериментальні дослідження поведінки повітря в робочій камері вібраційної сушильної установки показали, що при подачі повітря в робочий простір вібраційного конвеєра сушарки зі швидкістю більш 10 м/с виявляються поворотні повітряні потоки, що перешкоджають переміщенню матеріалу, і призводять до його розсипання у піджалюзійний простір. Аналогічна картина має місце і при установленні витяжного патрубка поблизу патрубка підведення повітря.

3. Встановлено, що у міру руху матеріалу по робочому органу і зниження вологості, швидкість його переміщення змінюється: збільшується під час сушіння крейди і зменшується при сушінні матеріалів, що мають переважно зовнішню вологу, типу річкового піску. Стабілізувати швидкість переміщення матеріалу по довжині конвеєра можна відповідною зміною кута нахилу жалюзі.

4. Порівняння теоретично отриманих і експериментальних даних показало, що їх розбіжність при дослідженні вібропереміщення матеріалу складає до 18% при визначенні переміщення піску і до 20% - при визначенні переміщення крейди.

5. Інженерна методика розрахунку передбачає визначення параметрів вібраційного конвеєра сушильної установки в ітераційному режимі. При цьому визначаються амплітуда і частота коливань виконавчого органа, його геометричні параметри (довжина, ширина, висота), швидкість вібропереміщення, що забезпечують задану продуктивність по вихідному продукту, час сушіння і об'єм подаваного повітря. Після конструкторського опрацювання уточнюються динамічні характеристики вібраційного конвеєра з урахуванням маси і вологості матеріалу, що знаходиться на конвеєрі. Далі здійснюється перевірочний розрахунок і уточнення параметрів вібраційного конвеєра з урахуванням згинальних коливань робочого органа, крупності та вологості матеріалу, впливу потоку повітря.

6. Два дослідно-промислових зразка вібраційних сушильних установок були виготовлені і пройшли промислову перевірку в лінії виробництва технічної крейди на ЗАТ «Новгород-Сіверський завод будівельних матеріалів». В результаті випробувань встановлено, що при вологості вихідного матеріалу 25% після першої стадії сушіння на ВСУ-1 одержано продукт вологістю до 11%, після другої стадії сушіння на ВСУ-2 - продукт вологістю 1-5%.

Размещено на Allbest.ru