Движение зерновой смеси по спирали и кожуху рассматривали как частный случай движения вязкого газа в криволинейном канале постоянной кривизны. Профиль канала между витками представлен на рис. 4.
Распределение скоростей и давления изучено на основе дифференциальных уравнений движения вязкого газа (уравнений Навье - Стокса).
Учитывая формулу распределения скоростей, используя уравнения неразрывности системы, примем замкнутую систему уравнений как исходную для исследований полностью развитого течения.
Для применения численного метода сеток к расчету течений в уравнении Навье - Стокса значения искомых функций были представлены в виде пространственно-временных точек. Решение выполняли при помощи ЭВМ конечноразностным способом для сетки размерностью 4020 (см. рис. 2). В результате получены схемы движения потоков (рис. 5 и 6).
На основе анализа установлено, что при движении зерна в окрестности центра внешней стенки возникают вторичные вихри в силу центробежной неустойчивости, что определяется в первую очередь формой канала. При совместном движении воздуха и зерна количество вторичных вихрей сокращается, а по мере продвижения к зоне выхода они совсем пропадают (см. рис. 5 и 6).
Рис. 5. Схема движения потока зерна в гибком кожухе спирального конвейера
Рис. 6. Схема движения потока зерна в гибком кожухе пневмоспирального конвейера
На втором этапе был проведен анализ движения частицы в загрузочном устройстве (рис. 7) и внутри спирального шнека пневмоспирального конвейера.
Для получения дифференциальных уравнений, описывающих движение частицы зерна на входе в гибкий рукав пневмоспирального конвейера, была рассчитана сила воздействия воздуха на слой транспортируемого материала:
, (Па), (1)
где рд - давление необходимое для сообщения скоростей материалу и воздуху, Па; Ар - рабочая площадь поперечного сечения кожуха, м2.
, (м2), (2)
где Ко - коэффициент, учитывающий перекрытие рабочего сечения с увеличением частоты вращения спирали, Ко ? 1; - внутренний диаметр гибкого кожуха, м; - толщина проволоки, м; - угол наклона винтовой линии, град.
После соответствующих преобразований была получена формула для расчета скорости воздушного потока вх на входе загрузочного устройства:
(м/с), (3)
где - осевая скорость перемещения материала, м/с; Кпс -коэффициент парусности, Кс - коэффициент, местных сопротивлений; 0 - угловая скорость вращения спирали, рад/с; r - средний радиус спирали, м; ' - средний угол между направлениями абсолютного и переносного векторов скоростей частицы, град.
Рис. 7. Схема сил, приложенных к материальной частице в горизонтальном положении спирального рабочего органа при загрузке материала из насыпи
Выведена формула критической частоты вращения спирального шнека nкр:
, (мин-1). (4)
Учитывая полученные при анализе движения зерновоздушной смеси результаты, производительность транспортирования зерна пневмоспиральным конвейером определим по уравнению:
, (кг/мин), (5)
где КL, Кп и Ко - коэффициенты производительности, учитывающие заполнение, скорость движения, вид груза и длину гибкого спирального шнека; - давление воздушного потока, Па; Кс и Кпс - коэффициенты скорости, учитывающие взаимодействие воздушного потока с транспортируемым грузом и шнеком.
Рис. 8. Графики зависимости производительности пневмоспирального конвейера от частоты вращения спирали и давления воздушного потока при транспортировании зерна: а - пшеницы; б - проса; в - гороха
Анализ полученной формулы (5) показал, что переменными, значительно влияющими на производительность, являются плотность зерна сз (кг/м3), давление воздушного потока Др (Па), частота вращения спирального шнека n (мин-1), конструктивные параметры гибкого рукава и спирали Dр, r (м), а также коэффициенты производительности и скорости Кп, КL, Ко, Кс и Кпс.
По теоретическим расчетам построены графики зависимости производительности пневмоспирального конвейера (рис. 8). Их анализ показал, что производительность пневмоспирального конвейера зависит от частоты вращения шнека n и давления воздушного потока р; по отношению к n она растет по параболической зависимости, а по отношению р - по зависимости, близкой к прямолинейной, с повышением частоты вращения.
Мощность Робщ, потребная на привод при транспортировании материала пневмоспиральным конвейером, состоит из суммы мощностей, потребляемых двигателями для привода вентилятора и спирального шнека:
, (Вт). (6)
Рассмотрена схема движения материальной частицы (рис. 9).
Рис. 9. Схема сил, действующих на материальную частицу при движении по винтовой поверхности спирального шнека, находящегося в наклонном положении
Спроецировав все силы, воздействующие на движение материала на ось z, после соответствующих преобразований определим мощность на валу двигателя спирального шнека:
, (Вт), (7)
где и - КПД подшипников и привода соответственно; - угол между направлениями абсолютного и переносного векторов скоростей частицы, град; - угол подъема частицы от низшего положения в кожухе, град; fп - коэффициент трения перемещаемого материала о поверхность проволоки спирали; - угол наклона транспортирующего устройства к вертикали, град.
Мощность двигателя для привода вентилятора расходуется на придание требуемой скорости воздуху при необходимой производительности:
, (Вт), (8)
где ,и - КПД вентилятора, подшипников и передачи; и - соответственно скорость, м/с и плотность воздуха, кг/м3; - коэффициент массовой концентрации смеси; к - коэффициент гидравлического сопротивления (трения) кожуха; d - внутренний диаметр трубы, м; и - наружный и внутренний диаметры спирали, м; сп - коэффициент гидравлического сопротивления спирали; К - комплексный коэффициент; с = 144…200 - безразмерный коэффициент; - пористость слоя; - динамический коэффициент вязкости, кг·м2/с; Dч - диаметр частицы, м; ФS - фактор формы частицы; Lр - длина гибкого рукава, м; к - коэффициент сопротивления колен поворота; вр - коэффициент сопротивления внезапного расширения; вс - коэффициент сопротивления внезапного сужения; сп - коэффициент сопротивления спирали; - условная скорость воздуха, отнесенная к общей площади поперечного сечения продуваемого слоя; А* и n* - опытные коэффициенты, зависящие от культуры, влажности и плотности зерна; Дhпд- высота подъема транспортируемого материала, м; g - ускорение свободного падения, м/с2, - угол наклона шнека, град.
Проведенный анализ позволил установить влияние конструктивных и режимных параметров на мощность привода.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа и методики с перечислением оборудования, применяемого в лабораторных исследованиях и производственных испытаниях, дано описание объектов исследований и экспериментальной установки.
На основании проведенных исследований и предваритель-ных теоретических расчетов, выполненных во 2-й главе, определены физико-механические свойства зерна пшеницы, проса и гороха, влияющие на ход рабочего процесса. При исследовании влияния длины спирального шнека на производительность задавали пять значений l - 5 м, 8, 11, 14 и 17 м.
Во время исследований влияния режимных параметров приняты следующие конструктивные значения: диаметр гибкого рукава Dр = 0,054 м, наружный диаметр спирали dн = 0,044 м, диаметр проволоки д = 0,007 м, шаг спирали = 0,06 м, длина гибкого рукава l = 10 м. Режимные параметры задавали следующим образом: частота вращения шнека - 300 мин-1, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1700 мин-1; давление воздушного потока р - 0 кПа, 10, 68, 138 кПа, при котором производили замеры скорости воздуха у загрузочного устройства - 0 м/с; 2,5; 4,3; 7,1 м/с. Внимание уделяли определению оптимального соотношения частоты вращения шнека и давления воздушного потока внутри гибкого рукава. Исследование параметров проводили на экспериментальной установке, позволяющей полностью моделировать рабочий процесс.
Силу тока и напряжение измеряли при помощи амперметра и вольтметра, массу зерна - напольными весами; определяли также время транспортирования. Воздействие спирали на зерно оценивалось по всхожести (ГОСТ 12038-66).
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований физико-механических свойств грузов, с которыми испытывали пневмоспиральный конвейер (зерно пшеницы, проса и гороха); приведены результаты экспериментальных и производственных исследований.
Экспериментальные исследования позволили установить влияние частоты вращения спирали и давления воздушного потока p внутри кожуха на производительность для зерна пшеницы. В результате обработки опытных данных получены соответствующие зависимости для зерна пшеницы и построен график сходимости по результатам теоретических расчетов и экспериментальных исследований (рис. 10).
Анализ полученных в ходе экспериментальных исследований данных позволил определить режимные параметры пневмоспирального конвейера, обеспечивающие максимальную производительность Q при работе с зерном пшеницы: р = 138 кПа; = 1480 мин-1; при этом = 64,5 кг/мин. При работе конвейера с этими параметрами всхожесть составляет 91-92 %. Установлено, что допустимо транспортирование зерна, используемого для мукомольной промышленности и на кормовые нужды в животноводстве (ГОСТ 52554-2006 и ГОСТ 9353-90).
|
эксперимент. теорет. |
Рис. 10. Зависимость производительности пневмоспиральной установки при работе с зерном пшеницы от частоты вращения спирали при различном давлении воздушного потока
Также в результате проведенных экспериментальных исследований и обработки опытных данных получены зависимости и построены графики сходимости по результатам теоретических расчетов и экспериментальных исследований для зерна гороха и проса. Показатели конвейера, обеспечивающие максимальную производительность при погрузке зерна проса: при р = 138 кПа и = 1590 мин-1 = 64,4 кг/мин, при этом всхожесть составляет 97 %, что является допустимым для работы с посевным материалом (ГОСТ 22983-88); для зерна гороха - = 61,2 кг/мин при = = 1405 мин-1 и р = 138 кПа. При частоте вращения более 600 мин-1 горох начинает сильно дробиться, и всхожесть отмечается менее 85 %, поэтому применение пневмоспирального конвейера рационально лишь при транспортировании этого материала для кормовых нужд в животноводстве (ГОСТ 28674-90).
Уравнения регрессии, описывающие характер изменения производительности при изменении режимных параметров:
для пшеницы:
(9)
для проса:
; (10)
для гороха:
+ (11)
Графически уравнения представлены в форме поверхностей отклика (рис. 11).
Рис. 11. Поверхности отклика, отражающие зависимость производительности пневмоспиральной установки от частоты вращения спирального шнека и давления воздушного потока при транспортировании зерна: а - пшеницы; б - проса; в - гороха
Проведены экспериментальные исследования, позволившие установить влияние изменения длины спирального шнека на производительность спиральной и пневмоспиральной установок для зерна пшеницы, проса и гороха. При увеличении длины шнека производительность спирального конвейера уменьшается по зависимости, близкой к прямолинейной, а у пневмоспирального конвейера она уменьшается по параболической зависимости (рис. 12).
Рис. 12. Зависимости производительности спиральной и пневмоспиральной установок от длины спирального шнека при частоте вращения n = 1200 мин-1 (зерно пшеницы)
Производственная модель пневмоспирального конвейера была доработана на основе предварительных расчетов и результатов, полученных в ходе лабораторных экспериментов. Данные о мощности представлены графиками зависимостей при работе с зерном пшеницы (рис. 13).
эксперимент.
теоретич.
Рис. 13. Зависимости мощности пневмоспиральной установки от частоты вращения спирали при различном давлении воздушного потока (зерно пшеницы)
При сопоставлении полученных экспериментальных данных с теоретическими отклонения составили не более 5 %. Производственные испытания были проведены в ОПХ «ВолжНИИГиМ» филиала ФГНУ «ВолжНИИГиМ» (Энгельсский район Саратовской области).
В пятой главе «Технико-экономическое обоснование» представлены результаты расчетов экономической эффективности использования предлагаемого пневмоспирального конвейера.
Использование пневмоспирального конвейера вместо спирального обеспечивает получение годового экономического эффекта 21016 руб. в ценах на 01.09.2009 г., срок окупаемости дополнительных капиталовложений - около 1,4 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. На основании анализа литературных источников, патентного поиска и производственного опыта выявлены недостатки спиральных конвейеров (гибких шнеков) и намечены пути их устранения. Разработана классификация конвейеров данного типа и новая конструктивно-технологическая схема пневмоспирального конвейера (патент на полезную модель № 83766) для транспортирования зерна, позволяющая повысить производительность и увеличить длину перемещения по схеме «к приводу» за счет совмещения процессов транспортирования спиралью и воздушным потоком.