Обґрунтування параметрів скребкового конвеєра із похилою прямолінійною забірною віткою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обґрунтування параметрів скребкового конвеєра із похилою прямолінійною забірною віткою

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Транспортні машини, зокрема скребкові конвеєри, є невід'ємною частиною сучасного виробництва. За їх допомогою здійснюється механізація значної кількості робіт і технологічних процесів. Збільшення продуктивності скребкових конвеєрів, та зниження динамічних ударів на робочі органи шляхом оптимізації параметрів зони завантаження є важливою транспортною задачею. Розв'язання цієї задачі дозволить забезпечити більш рівномірне заповнення жолоба конвеєра, зменшити матеріалоємність, енергоємність, ймовірність пошкодження сипкого вантажу в процесі його переміщення.

Несприятливі динамічні навантаження в процесі транспортування мають місце у зоні завантаження, внаслідок чого підвищується ймовірність пошкодження вантажу, значно зменшується ресурс роботи робочих органів - скребків, а також деталей натяжної станції, а це потребує додаткових витрат на заміну та ремонт вузлів конвеєра та збільшує простої конвеєра.

У зв'язку з цим розробка та впровадження нових схем завантаження скребкового конвеєра з обґрунтуванням раціональних конструктивних, кінематичних, динамічних параметрів його робочої зони є актуальною задачею, розв'язання якої дозволить підвищити їх продуктивність та зменшити силові навантаження на робочі елементи транспортної системи при виконанні технологічного процесу переміщення вантажу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які склали основу дисертації, отримані здобувачем як виконавцем держбюджетних науково-дослідних тем Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя: «Моделювання технологічних процесів та транспортних систем сільськогосподарських машин» (№ держреєстрації 0199U003997); «Розробка наукових основ та теорії змішування та розділення багатокомпонентних сипких сумішей на основі елементної взаємодії твердих частинок» (№ держреєстрації 0102U002299).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є зниження динамічних навантажень під час завантаження скребкового конвеєра, підвищення його продуктивності шляхом розробки конструкції та вибору раціональних параметрів зони завантаження конвеєра. Для досягнення вказаної мети були поставлені наступні задачі:

- провести аналіз конструкцій скребкових конвеєрів та зони завантаження, розробити схему завантаження, яка б забезпечувала максимальну продуктивність конвеєра при мінімальних динамічних навантаженнях на скребок;

- вивести аналітичні залежності для визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів скребкового конвеєра із похилою прямолінійною забірною віткою;

- встановити вплив конструктивних параметрів скребкового конвеєра на силу, яка діє на скребок під час захоплення ним сипкого вантажу;

- розробити імітаційну модель завантаження скребкового конвеєра та встановити теоретичне значення коефіцієнту заповнення жолоба з врахуванням геометричних параметрів конвеєра;

- провести комплекс експериментальних досліджень для уточнення теоретичних залежностей;

- розробити інженерну методику проектування зони завантаження скребкового конвеєра запропонованої конструкції.

Об'єкт дослідження - процеси транспортування та завантаження в скребкових конвеєрах.

Предмет дослідження - малогабаритний скребковий конвеєр із похилою прямолінійною забірною віткою та основні конструктивно-технологічні параметри й фактори, які впливають на продуктивність конвеєра та на величину динамічних навантажень на скребки під час захоплення ними сипкого вантажу.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтуються на основних положеннях аналітичної механіки, розв'язанні контактної задачі Герца, теорії ймовірності, математичного моделювання, прикладного програмування. Експериментальні дослідження проводились на спеціально розробленому обладнанні з використанням методів планування багатофакторного експерименту, статистичного аналізу. Визначення коефіцієнту зменшення контактної сили та продуктивності проводилися згідно зі стандартними методиками, тиск на скребки вимірювався за допомогою спеціального вимірювача (ВАТ ТРЗ «ОРІОН», м. Тернопіль).

Наукова новизна роботи:

- визначені умови завантаження конвеєра сипким вантажем залежно від кута нахилу прямолінійної забірної вітки у зоні завантаження для отримання максимальної продуктивності конвеєра;

- на базі розробленої теоретичної моделі транспортування уточнено значення коефіцієнту заповнення жолоба для конвеєрів із похилою прямолінійною забірною віткою з врахуванням геометричних параметрів конвеєра;

- вперше побудована модель переміщення сипкого матеріалу у вигляді потоку окремих частинок, які взаємодіють між собою та з робочими площинними, циліндричними поверхнями транспортної системи, на основі якої розроблено імітаційна модель скребкового конвеєра з похилою прямолінійною забірною віткою у зоні завантаження з визначенням його кінематичних і динамічних параметрів;

- вперше виведені залежності для визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів для конвеєра із похилою прямолінійною забірною віткою за умови отримання заданої продуктивності при найменших динамічних навантаженнях.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені алгоритми та програми для імітаційного моделювання процесу транспортування сипких вантажів скребковим конвеєром. Розроблені рекомендації та інженерна методика для вибору раціональних конструктивно-технологічних параметрів скребкових конвеєрів із похилою прямолінійною забірною віткою для транспортування сипких вантажів. На основі комплексу теоретичних і експериментальних досліджень створена конструкція скребкового конвеєра для зменшення ударних навантажень на його скребки (ТОВ «ТІМЕЛІ», м. Тернопіль). Технічна новизна розробок підтверджена деклараційним патентом України на винахід.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Проведено огляд та аналіз літературних джерел; обґрунтовано доцільність використання прямолінійної ділянки завантаження в скребковому конвеєрі; побудовано аналітичні залежності для визначення коефіцієнту заповнення жолоба в залежності від кута нахилу прямолінійної ділянки завантаження; розроблена динамічна модель захоплення частинок вантажу робочими органами конвеєра, а також розроблено рекомендації з оптимізації геометричних параметрів зони завантаження з умови отримання заданої продуктивності конвеєра та мінімальних динамічних зусиль, які діють на скребки [6, 7, 14, 15, 16, 18].

Особистий внесок здобувача у роботах, виконаних у співавторстві, полягає: в аналізі особливостей конструкції скребкових конвеєрів [1, 13]; в побудові теоретичної моделі взаємодії робочих органів із сипким матеріалом [2, 3, 4, 10, 12]; в проведенні експериментальних досліджень динаміки завантаженості скребкового конвеєра [8, 9]; в дослідженні технологічного процесу захоплення скребком частинок вантажу [5, 17]; в математичному обґрунтуванні оптимальних конструктивних та технологічних параметрів скребкового конвеєра з похилою прямолінійною забірною ділянкою [3, 4]. Отримано один деклараційний патент України на винахід у співавторстві, в якому частка кожного автора однакова [11].

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались, обговорювались та схвалені на: науково-практичних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2002-2005 р.); Третій міжнародній науково-практичній конференції «Динаміка наукових досліджень 2004» (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); Четвертій та П'ятій міжнародних науково-практичних конференціях «Сучасні проблеми землеробської механіки» (м. Харків, 2003 р., м. Вінниця, 2004 р.); Науково-технічній конференції «Перспективи розвитку підйомно-транспортної техніки» та Міжнародній науково-практичній конференції «Перспективи ринку підйомних споруд в єдиному економічному просторі» (м. Одеса, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Технологічне та технічне забезпечення сільськогосподарського виробництва» (м. Мелітополь, 2004 р.); Першій міжнародній науково-практичній конференції «Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин DSR AM-I» (м. Тернопіль, 2004 р.); П'ятій міжнародній науково-технічній конференції «Вібрація в техніці та технологіях» (м.Вінниця, 2004 р.); Шостому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (м. Львів, 2003 р.). У повному обсязі дисертація доповідалася на науково-технічному семінарі в Приазовському державному технічному університеті (м. Маріуполь, 15.09.2005 р.) та на науково-технічному семінарі №4 ТДТУ імені Івана Пулюя (29.09.2005 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 5 статтях у наукових журналах, в 5 статтях у збірниках наукових праць, в 7 матеріалах і тезах наукових, науково-технічних і науково-практичних конференціях та в 1 деклараційному патенті України на винахід. Кількість публікацій у наукових виданнях, які затверджені ВАК України як фахові - 10, з них 2 - без співавторів. Загальна кількість публікацій - 18.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і п'ятьох додатків. Повний обсяг дисертації - 203 сторінки, в тому числі 75 рисунків, 4 таблиці, список використаних літературних джерел з 131 найменування та додатки на 33 сторінках. Обсяг основного тексту дисертації - 148 сторінок.

Основний зміст роботи

скребковий конвеєр вантаж

У вступі обґрунтовано актуальність збільшення продуктивності скребкового конвеєра та зниження динамічного удару на його робочі органи у процесі завантаження. Сформульовано мету, об'єкт, предмет і задачі дослідження, окреслено наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі «Аналіз літературних джерел» розкрито стан і суть наукової проблеми транспортування сипких вантажів скребковими конвеєрами, вирішення якої можливе за умови технологічного, конструктивного забезпечення покращення таких показників як енергоємність транспортування, матеріалоємність, ймовірність пошкодження вантажу, собівартість переміщення сипкого матеріалу, продуктивність конвеєра. Значний внесок у формуванні наукових основ теорії проектування скребкових конвеєрів зробили вчені: Василенко М.П., Пертен Ю.А., Гафштенгель Г., Корнєв Г.В., Босой Є.С. Проблемі визначення параметрів скребкових конвеєрів і їх режимів в залежності від характеристик транспортного матеріалу присвячені роботи Вайсона А.А., Хайліса Г.А., Козьміна П.С., Співаковского А.О., Александрова М.П., Плавинского В.И. Розробками прогресивних конвеєрів та їх автоматизованими розрахунками займались Зенков Р.Л., Ізрайлевич М.Л., Скорописов Ю.І., Рогатинський Р.М., Будішевський В.А., Вишневецький Г.В., Михайлов Ю.І. Проблемами математичного моделювання піднімально-транспортних машин займалися Грігоров О.В., Лавендел Е.Е., Золотарев Т.С., Ловейкін В.С., Морозов І.В., Манпіль Л.І. та інші.

Для вирішення задач ефективного транспортування сипкого вантажу скребковим конвеєром необхідна розробка та дослідження нових ефективних технологій процесів завантаження, переміщення, розвантаження, які б забезпечили високу продуктивність при низьких динамічних навантаженнях на робочі органи конвеєра.

На підставі аналізу літературних джерел та класифікації існуючого обладнання, наведено перспективні конструкції скребкових конвеєрів та окреслено основні етапи розв'язання конструктивного, технологічного забезпечення ефективного завантаження конвеєра шляхом розробки раціональної конструкції конвеєра, яка зменшила собівартість транспортування сипкого вантажу.

У другому розділі «Теоретичні аспекти транспортування сипкого вантажу скребковим конвеєром» наведено: схемний аналіз скребкового конвеєра; теоретичне обґрунтування визначення конструктивних параметрів скребкового конвеєра із похилою прямолінійною забірною віткою як крок між скребками, висота скребків, кут нахилу прямолінійної ділянки захоплення до горизонталі; динамічний розрахунок приводу скребкового конвеєра.

Для визначення оптимальної схеми скребкового конвеєра проведений морфологічний аналіз і структурний синтез його елементів. В результаті була отримана схема скребкового конвеєра із похилою прямолінійною забірною віткою.

Для визначення оптимального розміру зони завантаження сипким матеріалом конвеєра із прямою забірною віткою (рис. 1-2) зроблені такі припущення: вантаж є абсолютно сипким тілом; величина об'єму вантажу, яка поступає у зону захоплення вантажу скребком, періодично повторюється з періодом початку роботи нового скребка у зоні завантаження.

Продуктивність завантаження конвеєра Q при h_ch_ж:

Q=V/_v=Bh_cтрv₀= Bh_cv, (1)

де h_c - висота скребка; h_ж - робоча висота жолоба; V - об'єм, який був захоплений скребками; _v - час, за який був захоплений об'єм V; B - ширина жолоба; _тр - теоретичний коефіцієнт заповнення жолоба, _тр = S_t /(Th_c), якщо S_t /(Th_c)0,5.. 0,6, інакше _тр=0,5.. 0,6; S_t - загальна площа, яку охоплює скребок в сипкому матеріалі за крок T у зоні завантаження; v - швидкість руху тягового органу конвеєра; ₀ - коефіцієнт, який залежить від сипкості матеріалу та характеру завантаження, для гороха ₀ =0,90,1, для ячменю «Миронівський» ₀ =0,930,1; - коефіцієнт заповнення жолоба, =0,55 - для сипких вантажів.

Для зменшення динамічних сил необхідно, щоб їх робота A за одиницю часу мала мінімальне значення. Відповідно, додаткова потужність робочого органу для подолання динамічних зусиль N_d, які виникають внаслідок динамічного захоплення сипкого вантажу та розгону його від початкової швидкості v₁ до кінцевої v₂, буде

N_d0,5 (v₂² - v₁²) dm/dmin, (2)

де dm/d - похідна по часу маси захопленого вантажу.

Маса захопленого вантажу пропорційна повздовжній площі S_t, яку охоплює скребок в сипкому матеріалі, то

dm/d~dS_t/d. (3)

З іншої сторони в зоні завантаження сипкий вантаж подається та захоплюється з постійними швидкостями, тобто 0,5 (v₂² - v₁²)const.

Відповідно, умова (2) прийме вигляд dS_t/dmin. При аналізі даної залежності встановлено, що приріст функції dS_t/d по часу буде менший на прямолінійних ділянках, а в зоні криволінійної ділянки завантаження має постійне значення. Внаслідок цього середнє значення приросту площі по часу S_t/ буде меншим для зон завантаження з довшими прямолінійними ділянками. Причому необхідно зазначити те, що крок між скребками T пропорційний часу проходження скребком відстані між скребками. Найбільш доцільно вибрати час так, щоб функція S_t/ була найменша, але щоб досягала задану продуктивність конвеєра, оскільки S_t/~~Q. Тобто рівняння функції мети (2) та умови максимального значення кроку між скребками перетворюються у таку систему:

S_t/~ та T=vmax4h_c при обмеженні T4h_c. (4)

Виконання першої умови залежить від параметрів T, , R, які в загальному рекомендують підбирати в залежності від висоти скребка . Відповідно за даною системою (4) графічно вирішена дана задача при =0,55 для сипкого матеріалу (рис. 3).

Коефіцієнт заповнення жолоба прийме максимальне значення: при радіусі контуру криволінійної ділянкою завантаження R=(2…4) h_c (рис. 4); при значенні кроку між скребками T=(2…3) h_c.

Наявність похилої прямолінійної забірної вітки зумовлена величиною кута сегменту криволінійної ділянки завантаження , де при /2 цієї зони не буде (рис. 2), тобто для існування похилої прямолінійної забірної вітки повинна виконуватися така умова: </2=arccos (1-1/), де =R/h_c.

При виборі конструктивних параметрів при заданому коефіцієнті заповнення жолоба враховують те, що: із збільшенням кроку між скребками T значення кута зменшується (рис. 4) при наявності прямолінійної ділянки завантаження; із збільшенням радіуса контуру криволінійної ділянки завантаження R значення кута збільшується при наявності похилої прямолінійної забірної вітки.

Характер завантаження впливає на динамічні характеристики транспортної системи, яка складається із двигуна, запобіжної муфти; редуктора; пружної муфти; скребкового конвеєра.

Для визначення їх складається система рівнянь Лагранжа другого роду:

I₁d²ц₁/dф²+c(ц₁-ц₂)=i₁(T_d-T_r) та (I₂+m_vR²) d²ц₂/dф²-c(ц₁-ц₂)= - (T₀+T_v+T_z), (5)

де I₁ - приведений момент інерції двигуна та редуктора до валу пружної півмуфти; - кут повороту валу півмуфти вихідного вала редуктора; c - приведена жорсткість пружної муфти; - кут повороту привідного валу конвеєра; i₁ - передаточне число; T_d - момент двигуна, який визначається за динамічною характеристикою двигуна; T_r - постійний момент опору редуктора; I₂ - приведений момент інерції скребкового конвеєра без вантажу відносно ведучого валу; m_v - маса всього сипкого вантажу на конвеєрі; T₀ - момент опору конвеєра при його холостому ході; T_v - момент опору сипкого вантажу у зоні транспортування; T_z - момент сили, який діє на скребок при захоплені вантажу (див. третій розділ). Система рівнянь (5) вирішується чисельним методом за допомогою ППП Matlab. Початкові умови приймають: dц₁/dф=dц₂/dф; ц₂=0; ц₁=i₁(T_d-T_r)/c; T_d=(T₀+T_v+T_z)/i₁+T_r; T_z=0 - при стаціонарному режимі момент двигуна рівний моменту опору конвеєра, тоді із механічної характеристики двигуна отримується значення кутової швидкості на приводі пружної муфти зі сторони редуктора:

dц₁/dф =(1-у_m[T_m/T_d - ((T_m/T_d)²-1)^0,5]) щ₀/i₁, (6)

де у_m - величина ковзання двигуна при T_m; T_m - максимальний момент двигуна; щ₀ - синхронна кутова швидкість двигуна.

Конвеєр представлений у вигляді дослідної моделі скребкового конвеєра, де кут нахилу прямолінійної забірної вітки до горизонту 65⁰, B=80 мм, h_c=37 мм, T=75 мм, швидкість транспортування 0,1 м/с, R=0,08 м, в якості сипкого матеріалу використовувався горох. Конвеєр приводиться в рух асинхронним двигуном АОЛ-42-2.

Як видно із рис. 5, прийнята модель після 8-11 циклів завантажень описує усталений процес, а отже прийняті допущення моделі є обґрунтованими. Крім цього, результати досліджень показують, що дана система має частоту власних коливань в три рази вищу, ніж частота вимушених коливань, яка задається динамічною дією скребків. Коефіцієнт нерівномірності руху конвеєра складає 0,02.

У третьому розділі «Теоретично-дослідницький аналіз моделі скребкового конвеєра» наведено контактну модель взаємодії вантажу із скребковим конвеєром та динаміку його завантаження для визначення технічних характеристик транспортної системи при різних режимах роботи конвеєра. Імітаційна модель складалась для конвеєра за рис. 1. Розміщення частинки вантажу відносно даних елементів конвеєру визначають через відстані від площин можливого контакту до центру її маси. Відстань до плоскої поверхні d визначають за нормальним рівнянням поверхні d=f (x, y, z)=xcos+ycos+zcos-p₁, де cos, cos, cos - координати одиничного вектора, котрий перпендикулярний до площини та направлений в бік зони можливого контакту; p₁ - відстань до початку системи координат; x, y, z - координати центру мас частинки вантажу.

За допомогою цієї функції виконують опис умови контакту робочого органу скребка з вантажем. Припускається, що частинкою вантажу є кулька з радіусом r_i.

Рух тіл, заданий в абсолютній системі координат конвеєра, приводять до системи координат скребка.

Алгебро-логічний опис поверхні скребка:

K_c=_j=1?^Np f_jc, (7)

де N_p - кількість поверхонь скребка; f_jc - нормальні функції поверхонь скребка.

Умова удару частинки об довільну поверхню скребка f_jc: о=(f_jc-r_i<0)^(¬K_c), де r_i - радіус сферичної частинки вантажу. Для моделювання даного удару використовували матриці переходу від абсолютної системи координат до системи координат скребка.

При дослідженні ударного навантаження робочих поверхонь конвеєра, з метою визначення параметрів руху вантажу використовуємо наближену модель, що ґрунтується на розв'язку контактної задачі Герца.

В моделі взаємодії робочих органів із сипким матеріалом розглядають рух частинки вантажу за час Дф, де умовно приймають те, що усі інші елементи системи мають кінематичні характеристики, але вони не змінюють своє місцезнаходження в просторі.

Контактна сила, що виникає при ударі частинки вантажу з i - ою поверхнею, визначається на основі формули Герца:

Fⁱ_h=0,5kⁱ_h(uⁱ)^3/2(1+k_p+(1-k_p) th[-лdV_c]) nⁱ, (8)

де kⁱ_h - коефіцієнт пропорційності при ударі частинки вантажу з -ої поверхнею; uⁱ - величина жорсткого зближення частинки вантажу з i - ою поверхнею, uⁱ=R-f_xyzⁱ; f_xyzⁱ - відстань від центра мас частинки вантажу до i-ої поверхні; л - параметр моделі, що згладжує криву навантаження в точці максимального зближення частинок, л=10³-10⁴; k_p - коефіцієнт, що враховує зменшення контактної сили при розходженні внаслідок втрати частини енергії; dV_c - швидкість відносного віддалення двох контактуючих тіл; nⁱ - одинична нормаль від -ої поверхні.

Результуючі сила та момент, які діють на частинку вантажу:

F_рез=Q+?(Fⁱ_h+Fⁱ_тр), М_рез=?(M_трⁱ+M_фkⁱ+M_фvⁱ) (9)

де Q - сила тяжіння частинки вантажу; Fⁱ_тр - сила тертя ковзання частинки вантажу з i-ої площиною; M_трⁱ - момент тертя ковзання, який діє на частинку вантажу з боку i-ої площини; M_фkⁱ - момент кочення, яке діє на частинку вантажу із боку i-ої площі; M_фvⁱ - момент вертіння, який діє на частинку вантажу із боку i-ої площі.

Звідси визначають прискорення центра мас частинки вантажу, швидкість центра мас частинки вантажу та вектор центра мас частинки вантажу, кутове прискорення частинки вантажу, кутову швидкість частинки вантажу. Після перебору усіх частинок вантажу системи, визначають силові параметри, які діють на поверхні. Модель завантаження скребкового конвеєра апробована для переміщення легких сипких вантажів.

Встановлено, що сила, яка діє на скребок під час завантаження скребкового конвеєра із похилою забірною віткою у порівнянні з конструкцією конвеєра без неї менша в 1,6 рази (рис. 6). В якості сипкого матеріалу змодельований горох, коефіцієнт зовнішнього тертя 0,38 (горох-сталь), для базової конструкції 1: T=80 мм; радіус кривизни руху тягового органу 40 мм; h_c=40 мм; B=80 мм; маса сипкого матеріалу 0,1 кг; швидкість руху тягового органу 0,5 м/с. Аналогічні параметри були для запропонованого варіанту 2, тільки Т=160 мм, д=15⁰ (рис. 2). Похибка моделі у порівнянні із результатами експерименту складає 17%.

У четвертому розділі «Програма, методика та результати експериментальних досліджень» викладена програма та методика, результати експериментальних досліджень. Основним завданням експериментальних досліджень було: розробка та виготовлення скребкового конвеєра з можливістю регулювання конструктивних і кінематичних параметрів в широкому діапазоні; створення установки для визначення коефіцієнта відновлення удару при взаємодії частинок сипкого вантажу із робочими поверхнями конвеєра; проведення досліджень в реальних умовах для визначення впливу конструктивних параметрів зони завантаження (кута нахилу прямолінійної забірної вітки до горизонту, висоти скребка, кроку між скребками) на продуктивність та на максимальну величину динамічного тиску на скребок у прямолінійній зоні захоплення вантажу; дослідження параметрів взаємодії сипких частинок з поверхнями конвеєра; перевірка адекватності теоретичних положень динамічної моделі контактної взаємодії робочого органу конвеєра із сипким вантажем при операціях завантаження та переміщення вантажу через дослідження процесів зміни динамічного тиску на скребок.

Для дослідження процесів завантаження скребкового конвеєра проведено комплекс експериментів зі зміною ряду параметрів. Дослідження проводили при послідовній зміні факторів експерименту. Насипний вантаж - горох та ячмінь.

Розрахунки показують, що коефіцієнт заповнення жолоба пропорційний площі, яку проходить скребок в сипкому матеріалі - його відхилення від теоретичних даних складає 10-15%.

В результаті реалізації плану експерименту регресивна залежність сили навантаження на скребок одиничної ширини p від змінних геометричних має такий вигляд (для гороху) (рис. 8):

Коефіцієнт, що враховує зменшення контактної сили при розходженні внаслідок втрати частини енергії у формулі Герца k_p в першому наближені, зв'язаний із коефіцієнтом відновлення при ударі k_v визначають залежністю:

k_p=?F_2hДS/?F_1hДS(Mv²_2n)/(Mv²_1n)=Mgh_k/MgH=h_k/H(v_2n/ v_1n)²=k²_v, (11)

де F_1h та F_2h - біжучі сили контактактної взаємодії, відповідно, при зближенні та розходженні тіл при ударі; ДS - елементарне взаємне переміщення тіл (зміна величини жорсткого зближення); M - маса частинки транспортування; v_1n та v_2n - нормальні складові швидкості зближення (віддалення) поверхонь відповідно до і після взаємодії; h_k - максимальна величина рівня відскоку над поверхнею після удару; H - початкова висота встановлення частинки вантажу над поверхнею.

Досліди проводили для такого сипкого матеріалу як горох із діаметром 6 мм (густина 650..800 кг/м³, об'ємна вага 6,38.. 7,85 кН/м³, кут природного відкосу в спокою 18..19⁰, коефіцієнт внутрішнього тертя 0,472, коефіцієнт тертя в спокої: по сталі 0,32 - 0,38; по дереву 0,36 - 0,42; по гумі 0,45 - 0,60).

Розсіювання експериментально отриманих значень k_p відповідає закону нормального розподілу: a=0,289, у=0,0349, ч²=0,83< ч²_p(3; 0,05)=7,8 для взаємодії горох-дерево (сосна); a=0,058, у=0,006, ч²=1,97< ч²_p(3; 0,05)=7,8 - горох-сталева пластинка (товщиною 0,5 мм); a=0,13, у=0,015, ч²=0,85< ч²_p(3; 0,05)=7,8 - горох-горох; a=0,39, у=0,04, ч²=1,19< ч²_p(3; 0,05)=7,8 - горох-скло; a=0,049, у=0,005, ч²=1,82< ч²_p(3; 0,05)=7,8 - горох-гума (БКНЛ-65 ГОСТ 20-76), де a - середнє значення коефіцієнта k_p; у - середнє квадратичне відхилення; ч²_p(f, p_a) - критичне значення критерію Пірсона; p_a=0,05 - ймовірність довірчого інтервалу (для машинобудування); f - число степеня вільності.

Результати експериментальних даних та моделювання удару частинки вантажу (гороху) вказують, що дослідна траєкторія руху елементів взаємодії співпадає з даними, які отримані за допомогою побудованої моделі в межах відносної похибки , яка усувається шляхом уточнення k_p. Під час транспортування вантажу на скребок діють миттєві значення динамічних сил зі сторони порції вантажу, середнє значення яких:

F_skr=?F_iskrdф/(t₁-t₀), (12)

де F_iskr - миттєве значення сили, яка діє на скребок; t₁ - кінцевий час дії теоретичної моделі; t₀ - початковий час дії теоретичної моделі.

Залежність (12) використовують для побудови теоретичної моделі, яка ґрунтується на основі вирішенні контактної задачі Герца.

Встановлено, що побудована імітаційна модель контактної взаємодії для визначення динамічних характеристик процесу переміщення сипкого вантажу в жолобі має середню відносну похибку 10%.

У п'ятому розділі «Інженерна методика, техніко-економічне обґрунтування та перспективи вдосконалення зони завантаження скребкового конвеєра» наведено інженерну методику, техніко-економічні показники конвеєра.

Для вибору оптимальних геометричних параметрів зони завантаження скребкового конвеєра із прямолінійною забірною віткою використовують дані з рис. 4. Граничними функціями області визначення прийняти саме вартість транспортування одиниці вантажу C₀, матеріалоємність м₀, енергоємність e, ймовірність пошкодження вантажу P. Функція мети вибору транспортного засобу: F=k₁м₀+ k₂e+ k₃P+ k₄C₀>min, де k₁, k₂, k₃, k₄ - вагові коефіцієнти, які в залежності від пріоритету можуть змінюватися.

При порівнянні базового та запропонованого варіанту скребкових конвеєрів враховують те, що коефіцієнт заповнення жолоба підвищується у конвеєра із прямолінійною ділянкою завантаження з 0,55 до 0,6 для транспортування гранул поліпропілена ТУ 2211-051-05796653-99. Економічний ефект від застосування нової конструкції транспортування сипких матеріалів складає E₀=173,58 грн/рік при продуктивності скребкового конвеєра Q=1 м³/год.

Один з перспективних напрямків подальших теоретичних досліджень є розробка імітаційних моделей конвеєрів з вібруючими робочими елементами. Так за допомогою побудованої імітаційної моделі скребкового конвеєра встановлено, що при малих частотах поперечного вібрування жолоба конвеєра навантаження на скребок змінюється за синусоїдальним законом симетрично його середньому значенню, при збільшені частоти вібрування вантаж відривається від жолобу та скребка - величина середнього навантаження суттєво зменшується, але виникає на порядок вище пікове миттєве значення цієї сили на робочий орган конвеєра.

Запропонована конструкція скребкового конвеєра зменшує ударні навантаження на робочий орган під час виконання ним операції завантаження, а також збільшує продуктивність транспортної системи. Запропонована конструкція може бути використана для операції переміщення сипкого вантажу, яка широко застосовується в сільському господарстві, в харчовій промисловості. Конвеєр може бути використаний як стаціонарна конструкція, де для зручності наладки, перед прямолінійною ділянкою захоплення встановлюють натяжний барабан, який вибирає зайву довжину тягового органу, а також в якості вмонтованого елементу пересувної системи - зернозавантажувача, зернового комбайна.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове розв'язання наукового завдання, що полягає у розробці моделей процесу транспортування вантажу скребковим конвеєром, реалізація яких дозволила знизити динамічні навантаження на робочі органи конвеєра, розроблена методика інженерного розрахунку скребкових конвеєрів із прямолінійною забірною віткою та способи керування їх продуктивністю, а також за результатами досліджень розроблені нові технічні рішення.

1. На основі проведеного аналізу встановлено, що існуючі конструктивні схеми та методики проектування скребкових конвеєрів не забезпечують мінімізацію динамічних навантажень на робочі органи конвеєра у зоні завантаження, внаслідок чого не враховується змінний характер продуктивності конвеєра, що призводить до підвищеного енергоспоживання та виникнення змінного характеру транспортування, утворення автоколивань і високих пускових динамічних навантажень. Обґрунтовано розрахункові схеми вибору параметрів скребкових конвеєрів, шляхи їх реалізації, а також методи керування продуктивністю конвеєра і його динамічним навантаженням.

2. За результатами реалізації моделі завантаження скребкового конвеєра сипким вантажем встановлено тенденцію до практично прямолінійної залежності між площею, яку охоплює скребок у сипкому матеріалі під час операції завантаження, та коефіцієнтом заповнення жолоба, - похибка не перевищує 10% - 15% в діапазоні швидкості руху тягового органу v=0,1…0,6 м/с і при куті нахилу прямолінійної забірної ділянки завантаження до поверхні сипкого матеріалу д=7⁰…70⁰.

3. За результатами досліджень встановлено, що динамічні навантаження під час завантаження скребкового конвеєра із похилою прямолінійною забірною віткою суттєво залежать від коефіцієнта внутрішнього тертя сипкого вантажу, пружних властивостей робочого органу скребкового конвеєра, площі скребка, кроку скребків, кута нахилу забірної ділянки, а вплив зазору між робочим органом та жолобом при захопленні вантажу з насипної гірки (бунта) є незначним.

4. Побудована теоретична модель скребкового конвеєра із похилою прямолінійною забірною віткою дозволяє встановити функціональний зв'язок між значеннями кроку між скребками, кутом захоплення вантажу, радіусом дуги, по якій рухається найбільш віддалена точка скребка при завантаженні конвеєра, і вибрати їх раціональні значення із умови заданої продуктивності конвеєра та мінімізації динамічних навантажень.

5. На підставі проведених теоретичних розрахунків скребкового конвеєра з заданою висотою скребків h_c виведені аналітичні залежності для визначення оптимального кута захоплення вантажу (коефіцієнт заповнення жолоба ш=0,55…0,6): при кроці між скребками T=2,5h_c, радіусі дуги, по якій рухається найбільш віддалена точка скребка при завантаженні конвеєра, R=2h_c приймають д=39⁰…41⁰; при T=3h_c, R=2,5h_c - д=40⁰…42⁰; при T=4h_c, R=2h_c - д=16⁰…19⁰; при T=4h_c, R=3h_c - д=22⁰…27⁰.

6. Для забезпечення максимального коефіцієнту заповнення жолоба та мінімальних динамічних навантажень для сипкого матеріалу встановлено: при куті природного відкосу насипного вантажу б_c=18⁰…19⁰ (горох, вика, сочевиця), кроці між скребками T=(3,5…4) h_c, радіусі дуги, по якій рухається найбільш віддалена точка скребка при завантаженні конвеєра, R=(1,8…3,2) h_c кут захоплення вантажу визначається згідно табличним даним, який змінюється в межах д=16⁰…30⁰, де h_c - висота скребка; при б_c=23⁰…25⁰ (ячмінь, пшениця, рис, кукурудза), T=(3,3…3,8) h_c, R=(1,9…2,6) h_c - д=22⁰…31⁰; б_c=28⁰ і більше (висівка, комбікорм, соняшник), T=(2,8…3,2) h_c, R=(1,9…2,3) h_c - д=28⁰…33⁰.

7. Встановлено, що імітаційне моделювання перехідного процесу завантаження, що ґрунтується на побудові моделей потоку, як сукупності частинок, адекватно відтворюється та може застосовуватись для дослідження процесів завантаження, розвантаження, зрушення та інших, які важко піддаються теоретичному аналізу, що дозволяє скоротити обсяг пошукових експериментальних досліджень та час технологічної підготовки виробництва нових конвеєрів.

8. Використання у скребкових конвеєрах прямолінійної забірної вітки для транспортування крупнозернистого вантажу дозволяє зменшити динамічні навантаження в 1,6 рази (похибка теоретичних розрахунків складає 17%) і збільшити коефіцієнт заповнення жолоба на 9% (коефіцієнт заповнення жолоба ш=0,55…0,6).

9. За результатами досліджень розроблені системи керування навантаженням скребкового конвеєра, та транспортно-технологічні системи з використанням прямолінійної забірної вітки, які захищені 1 деклараційним патентом на винахід.

10. Запропоновану конструкцію транспортера рекомендується для переміщення сипких вантажів у складі автоматичної лінії виробництва продукції із харчової пластмаси та в якості складового елементу зернового завантажувача або комбайна.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації:

1. Дмитрів Д., Рогатинська Л., Дудін О. До питань вибору геометричних та кінематичних параметрів скребкового транспортера // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2005. - №2. - С. 79-84.

2. Рогатинський Р.М., Дудін О.В. Моделювання взаємодії вантажу із скребковим конвеєром // Наукові нотатки. (Луцький державний технічний університет). - Вип. 13. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. - 2003. - С. 277-284.

3. Рогатинський Р.М., Дудін О.В., Рогатинська О.Р. Модель контактної взаємодії частинки вантажу з робочими поверхнями сільськогосподарських машин // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства Мінагрополітики України. - Вип. 21. - Харків: Вид. відділ ХДТУСГ. - 2003. - С. 222-228.

4. Пік А.І., Рогатинська О.Р, Дудін О.В. Динамічна модель взаємодії частинок сипкого вантажу між собою та з робочими поверхнями машин // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства Мінагрополітики України. - Вип. 24. - Харків: Вид. відділ ХДТУСГ. - 2004. - С. 120-127.

5. Рогатинський Р.М., Дудін О.В. Експериментальне уточнення параметрів динамічної моделі взаємодії вантажу із поверхнями скребкового конвеєра // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Вип. 21. - Мелітополь: ТДАТА. -2004. - С. 158-166.

6. Дудін О.В. Визначення оптимальної довжини зони завантаження скребкового транспортера // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2003. - Т.8, №2. - С. 49-55.

7. Дудін О. Експериментальне обґрунтування вибору оптимальної довжини зони завантаження скребкового конвеєра // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2004. - Т.9, №4. - С. 97-103.

8. Рогатинський Р.М., Дудін О.В. Вибір раціональних параметрів скребкових конвеєрів // Підйомно-транспортна техніка. (Одеський національний політехнічний університет). - 2004. - №2. - С. 75-83.

9. Гевко І.Б., Дмитрів Д.В., Дудін О.В., Рогатинська О.Р. Техніко-економічне обґрунтування вибору структури транспортера неперервної дії // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства Мінагрополітики України. - Вип. 27.-Харків: Вид. відділ ХДТУСГ. - 2004. - С. 350-356.

10. Рогатинський Р.М., Дудін О.В. Динамічна модель скребкового конвеєра // Гірничі, будівельні дорожні та меліоративні машини. (Київський національний університет будівництва і архітектури). - Вип.63.-К: Вид. відділ КНУБА. - 2004. - С. 19-23.

11. Пат. 71187 А Україна, МКВ B65G19/14. Скребковий конвеєр/ Р.М. Рогатинський, Д.В. Дмитрів, О.В. Дудін. - №20031110744; Заявл. 27.11.2003; Опубл. 15.11.04; Бюл. №11. - 2 с.

12. Рогатинський Р.М., Дмитрів Д.В., Дудін О.В. Динаміка завантаження скребкового конвеєра // Матеріали 1-ї Міжнародної науково-практичної конференції «Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин DSR AM-I». - Тернопіль: Вид-во ТДТУ. - 2004. - С202-208.

13. Рогатинський Р.М., Дмитрів Д.В., Дудін О.В. Геометрична модель скребкового транспортера // Тези доповідей 6 - го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові.-Львів: Кінпатрі ЛТД. - 2003.-С. 90.

14. Дудін О.В. Побудова математичної моделі процесів навантажень на робочий орган скребкового конвеєра // Матеріали Шостої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - Тернопіль: Вид-во ТДТУ. - 2002. - С. 70.

15. Дудін О.В. Синтез компоновок транспортерів з неперервним робочим органом // Матеріали Сьомої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - Тернопіль: Вид-во ТДТУ. - 2003. - С. 95.

16. Дудін О.В. Модель транспортування частинок сипкого вантажу скребковим конвеєром // Матеріали Восьмої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - Тернопіль: Вид-во ТДТУ. - 2004. - С. 66.

17. Дудін С.В., Дудін О.В. До питань динамічного розрахунку приводу скребкового конвеєра із прямолінійною ділянкою завантаження // Матеріали Дев'ятої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - Тернопіль: Вид-во ТДТУ. - 2005. - С. 31.

18. Дудін О.В. Моделювання процесів переміщення сипкого вантажу у транспортній системі із скребковим конвеєром // Матеріали ІІІ-ї Міжнародної науково-практичної конференції «Динаміка наукових досліджень, 2004». - Том 62. - Дніпропетровськ: Наука і освіта. - 2004. - С. 6,7.

Размещено на Allbest.ru