Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Совершенствование процесса транспортирования зерна путем обоснования параметров пневмоспирального конвейера
Специальность 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»
Чаплынская Анна Анатольевна
Саратов 2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова».
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Павлов Павел Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Артемьев Владимир Григорьевич
кандидат технических наук, Доцент Спевак Николай Владимирович
Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Волгоградская ГСХА».
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При производстве, хранении и переработке зерна значительная доля в общей трудоемкости приходится на погрузочно-разгрузочные и транспортные работы. Для транспортирования используют различные машины, и все большее распространение получают спиральные конвейеры (гибкие шнеки) благодаря их малой металлоемкости, простоте конструкции, надежности и невысокой стоимости. Однако существующие спиральные конвейеры имеют ограниченную производительность и приводят к усложнению технологической схемы при транспортировании зерна на большие расстояния по пространственной трассе. Кроме того, при транспортировании напрямую из бурта требуется ручной труд или дополнительная техника. Все это создает неудобства во время перевалки зерна на токах, при погрузке его в установки для очистки, сушки и разделения на фракции, а также при транспортировании в мельничные установки и кормоприготовительные агрегаты.
Анализ проведенных исследований показывает, что дальнейшего повышения производительности путем обоснования параметров и режимов, существующих конструктивно-технологических схем без загрузочной воронки добиться сложно. Причина недостаточной производительности - ограниченная способность захвата зерна вращающейся спиралью.
Для повышения эффективности перемещения зерна актуально использование пневмоспирального конвейера, совмещающего процессы транспортирования спиралью и потоком воздуха по пространственной трассе на требуемые расстояния, в том числе с захватом груза непосредственно из бурта без применения дополнительного погрузчика и возможностью передвижения во время работы.
Цель работы - повышение эффективности процесса транспортирования зерна путем обоснования параметров и режимов работы пневмоспирального конвейера.
Объект исследования - технологический процесс захвата и транспортирования зерна пневмоспиральным конвейером.
Предмет исследования - закономерности изменения производительности и мощности пневмоспирального конвейера в процессе транспортирования зерна от его конструктивных и режимных параметров и давления воздушного потока.
Методика исследований включала в себя разработку теоретических положений, их экспериментальную проверку в лабораторных и производственных условиях, экономическую оценку полученных результатов.
Теоретические исследования выполняли на основе законов гидродинамики, классической механики и математического анализа. Исследования динамических течений в спирально-транспортирующем рабочем органе пневмоспирального конвейера осуществляли при помощи ЭВМ. Экспериментальные исследования проведены с применением планирования многофакторного эксперимента с соблюдением действующих ГОСТов.
Научная новизна. Обоснованы технологический процесс транспортирования зерна с применением пневмоспирального конвейера и егоконструктивно-технологическая схема. Исследован рабочий процесс, сочетающий принципы транспортирования спиралью и воздушным потоком; получены аналитические и опытные зависимости производительности и общей мощности привода от режимных параметров; теоретически и экспериментально обоснованы параметры предлагаемого конвейера.
Практическая ценность работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании параметров, результаты которого приняты за основу при создании опытного образца пневмоспирального конвейера, защищенного патентом РФ на полезную модель № 83766. Его внедрение позволит увеличить производительность на 40-60 % и получить годовой экономический эффект 21016 руб. на один конвейер.
Апробация. Основные положения работы доложены на конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам научно-исследовательской работы за 2006-2010 гг. Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова, на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию профессора В.Ф. Дубинина (СГАУ, 2010), на Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора В.Г. Кобы (СГАУ, 2011).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе 3 статьи объемом 0,96 печ. л. - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций - 1,71 печ. л., из которых 1,34 печ. л. принадлежат лично соискателю.
Получен патент РФ на полезную модель № 83766.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 16 таблиц и 72 иллюстрации. Список использованной литературы включает в себя 132 наименования, из них 6 - на иностранном языке.
На защиту выносятся следующие научные положения:
· теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы пневмоспирального конвейера;
· аналитические и вероятностно-статистические выражения, описывающие влияние основных конструктивных и режимных параметров на производительность и мощность;
· результаты теоретических и экспериментальных значений параметров пневмоспирального конвейера.
Пути реализации работы. Полученные результаты могут быть использованы на сельскохозяйственных предприятиях при перемещении зерна на складах, перерабатывающих предприятиях, при производстве комбикормов и других работах по перемещению зерновой массы, а также проектными и конструкторскими бюро сельскохозяйственных организаций при определении параметров пневмоспирального конвейера для различных условий на стадии проектирования. Предлагаемый пневмоспиральный конвейер был применен при транспортировании зерна на зерноскладе и для загрузки дробилки в ОПХ «ВолжНИИГиМ» филиала ФГНУ «ВолжНИИГиМ» Энгельсского района Саратовской области.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» на основании анализа литературных источников и производственного опыта установлено, что транспортирование является одной из основных операций во всех технологических схемах при производстве, хранении и переработке зерна. Особого внимания заслуживает организация сложных плоских и пространственных трасс, что соответствует области применения спирального конвейера.
Изучению теории работы спирального конвейера посвящено значительное количество работ таких авторов, как П.А. Преображенский, З.Ф. Каптур, Е.И. Резник, Э.П. Кудзиев, С.И. Михайлов, А.М. Григорьев, К.Д. Вачагин, В.Г. Артемьев, Ю.М. Исаев и др. Анализ их исследований показал следующее. Разработаны различные конструктивно-технологические схемы спиральных конвейеров (гибких шнеков), обоснованы и оптимизированы параметры и режимы работы, однако возможность погрузки зерна из бурта практически не изучена. С увеличением частоты вращения спирали во время захвата материала происходит чрезмерное его разбрасывание, вследствие чего производительность без дополнительного загрузочного модуля значительно снижается. Достигнут предел повышения производительности, при транспортировании зерна, посредством обоснования параметров и режимов работы спирали и кожуха. Дальнейшее повышение возможно за счет новых принципов движения материала, а именно совмещения процессов транспортирования спиралью и потоком воздуха.
Разработки по совмещению механической и пневматической составляющих мало изучены. При подключении пневмосистемы к спиральному конвейеру процесс движения зерновой массы значительно изменяется, что вызывает необходимость проведения исследований процесса работы и обоснования параметров пневмоспирального конвейера.
Поэтому для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
· на основе проведенного анализа литературных и патентных источников выявить недостатки спиральных конвейеров (гибких шнеков) и наметить пути их устранения, разработать классификацию конвейеров данного типа, обосновать конструктивно-технологическую схему предлагаемого пневмоспирального конвейера;
· исследовать процесс транспортирования зерна пневмоспиральным конвейером и получить аналитические выражения для определения его режимных параметров, производительности и мощности;
· экспериментально подтвердить теоретические предпосылки, получить зависимости производительности пневмоспирального конвейера от конструктивных и режимных параметров, а также описывающие их вероятностно-статистические выражения;
· провести производственные испытания пневмоспирального конвейера с различными видами зерна и дать технико-экономическую оценку эффективности его использования.
Во второй главе «Теоретические исследования рабочего процесса пневмоспирального конвейера» проведен анализ существующего процесса транспортирования зерна, выполняемого спиральным конвейером (гибким шнеком) (рис. 1). Зерно 1 подается в загрузочную воронку 3 при помощи погрузчика 2, транспортируется под действием гибкого спирального шнека 4, осыпается вниз через разгрузочную воронку 5. Недостатками процесса являются ограниченная производительность и необходимость применения дополнительного погрузчика 2.
Для исключения данных недостатков разработана технологическая схема процесса транспортирования зерна выполняемого пневмоспиральным конвейером (рис. 2). Загрузка производится из зернового бурта 1 загрузочным устройством 2, перемещается гибким спиральным шнеком и воздушным потоком 3, осыпается в пневмокамеру 4 и через шлюзовой разгрузитель 5 поступает на дальнейшую обработку.
Анализ представленных схем (см. рис. 1 и 2) показывает, что в схеме на рис. 2 отсутствует дополнительный погрузчик, а транспортирование зерна производится спиральным шнеком и воздушным потоком, что значительно повышает производительность.
Для реализации предлагаемого процесса транспортирования разработана конструктивно-технологическая схема пневмоспирального конвейера (патент РФ на полезную модель № 83766) (рис. 3), который работает следующим образом. Перед началом работы фиксируют установленную в воздуховоде 9 заслонку 8, регулирующую поток воздуха в зависимости от вида транспортируемого груза. Свободный конец гибкого рукава 4 с загрузочным устройством 12 помещают в транспортируемое зерно. При включении электродвигатель 5 одновременно приводит в действие вентилятор 6 и во вращение соединенный со спиралью 2 промежуточный приводной вал 3, который установлен на внутренней стенке пневмокамеры 1. Частоту вращения задают вариатором 7. Зерно захватывается проходящими через загрузочное устройство витками спирали, затем подается в гибкий рукав 4, где под воздействием спирали и потока воздуха начинает перемещаться в пневмокамеру, установленную на раме 11. При достижении пневмокамеры происходит уменьшение скорости потока воздуха, зерно осыпается вниз к шлюзовому разгрузителю 10, где происходит разгрузка. Такая конструкция позволяет повысить производительность за счет уменьшения эффекта разбрасывания и увеличения заполнения при совмещении процессов транспортирования спиралью и потоком воздуха, а также увеличить дальность погрузки по пространственной трассе по схеме «к приводу» без совмещения нескольких конвейеров.
Рис. 1. Существующая технологическая схема процесса транспортирования спиральным конвейером (гибким шнеком): 1 - зерновой бурт; 2 -дополнительный погрузчик; 3 - загрузочная воронка; 4 - гибкий спиральный шнек; 5 - разгрузочная воронка
Рис. 2. Предлагаемая технологическая схема процесса транспортирования пневмоспиральным конвейером: 1 - зерновой бурт; 2 -загрузочное устройство; 3 -гибкий спиральный шнек с воздушным потоком; 4 - пневмокамера; 5 - шлюзовой разгрузитель
Рис. 3. Пневмоспиральный конвейер: 1 - пневмокамера; 2 - спираль; 3 - промежуточный приводной вал; 4 - гибкий рукав; 5 - электро-двигатель; 6 - вентилятор; 7 - вариатор; 8 - заслонка; 9 - воздуховод; 10 - шлюзовой разгрузитель; 11 - рама; 12 - загрузочное устройство
пневмоспиральный конвейер транспортирование зерно
При движении потока воздуха через слой зерна межзерновое трение снижается, и транспортируемый материал приобретает свойства жидкости. В таком состоянии его движение подобно движению вязкого газа. В гидродинамике имеются исследования, касающиеся взаимодействия различных тел с потоком сплошной среды, а также ее течения в слое зернистого материала. С их помощью выявлен характер движения зерна в цилиндрическом гибком кожухе с установленной внутри спиралью. Для этого на первом этапе были проведены исследования динамических течений в канале спирального шнека пневмоспирального конвейера.