Основные параметры горизонтального шнека с U-образным кожухом

Введение. Эффективность производства и производительность труда во всех отраслях агропромышленного комплекса может быть повышена за счёт внедрения прогрессивных технологий, инновационных технологических линий, надёжных машин и агрегатов в них. Это связано с необходимостью снижения производственных затрат, автоматизации технологических процессов, улучшения санитарно-гигиенических условий и повышения качества выпускаемой продукции [1–3].

Одной из причин недостаточного развития предприятий АПК, пищевой и перерабатывающей его отраслей в настоящее время является низкая обеспеченность их современным технологическим оборудованием, потребность в котором удовлетворяется лишь на 60–70%. И из 3000 наименований техники, предусмотренной системой машин, на предприятиях Российской Федерации выпускается около 2300 видов. В результате этого около 27% технологического оборудования на предприятиях России – импортного производства [2, 3].

Среди важнейших процессов, осуществляемых на различных предприятиях, находится транспортировка и дозирование сельхозпродуктов, имеющих различные физико-механические и химико-биологические свойства. Особенно значимы эти операции в технологических линиях приготовления смесей с дозировкой в соответствии с установленным рецептом строго определённого количества каждого компонента, а также формирования дозы к упаковке готового продукта [1, 3–6]. Нарушение их, как правило, приводит к снижению ценности выпускаемого продукта, перерасходу дефицитных и ценных компонентов и увеличению стоимости готовой кормовой смеси [1, 6, 7].

Анализ известных средств для этого показал, что наибольшее применение в таких линиях получили различные шнековые устройства, используемые для подачи зернистых, мелкокусковых, порошкообразных и связанных материалов в тех случаях, когда некоторое до- измельчение дозируемого продукта не имеет существенного практического значения. Они могут работать в горизонтальном и наклонном исполнениях, отличаются постоянством подачи и достаточной надежностью [1, 4, 7–10]. Большинство применяемого шнекового оборудования используется в горизонтальном исполнении, и может выполнять наряду с транспортирующей функцией и дозирующую внутрицеховую роль. Для обеспечения стабильной и устойчивой работы шнековых устройств, исключения негативного влияния степени заполнения меж-виткового пространства шнека такое оборудование нередко комплектуется U-образными кожухами [10–13].

Целью работы является определение основных параметров горизонтального шнека с U -образным кожухом, определение технологических факторов, кинематических режимов и конструктивных форм их рабочих органов, оказывающих существенное влияние на эффективность работы, в том числе в режимах дозирования шнеком сыпучих кормов.

Материалы и методы исследования. В настоящее время в большинстве теоретических и экспериментальных работ [1–15], посвященных исследованию винтовых транспортёров и дозаторов, объёмная подача без учёта влияния диаметра d вала их определяется по формуле

Q = 15 ψ ₁ π D²Sn ⋅ γ , т/ч, (1) где D – диаметр шнека, м ;

S – шаг шнека, м ;

n – частота вращения шнека, об/мин ;

ψ 1 и γ – коэффициент, учитывающий степень заполнения поперечного сечения шнека, и объёмная масса продукта в нём, т/м³.

По этой зависимости следует, что повышение подачи винтового транспортера с дозирующей функцией возможно при увеличении основных параметров шнека: диаметра и шага винта, а также коэффициента заполнения и частоты вращения шнека. Повышение подачи за счёт увеличения диаметра винта приводит к росту металлоёмкости и габаритов оборудования. Поэтому целесообразным представляется не только увеличение подачи его при неизменном диаметре или даже при уменьшении его, но и изменение конструкции кожуха на U-образную форму, что предусмотрено настоящим исследованием.

Более простым способом повышения подачи и эффективного использования винтовых транспортёров с таким кожухом является увеличение коэффициента заполнения ( ψ ) продуктом поперечного сечения кожуха. Предусмотрены вариация его при работе такого шнека до значений, превышающих единицу, определение затрат мощности на транспортирование материала, а также возможности его поломки.

Результаты исследования и их обсуждение. При работе шнека в глубоком U-образном кожухе опасность закупорки или затора продукции в нём исключена, а коэффициент заполнения кожуха, как установлено экспериментально, может достигать ψ = 2,5 и более. Собственно в таком шнеке это не коэффициент заполнения его сечения, а коэффициент заполнения кожуха шнека в поперечном его се- чении. Следует заметить также, что рост подачи такого транспортера не пропорционален увеличению коэффициента заполнения его кожуха. В проведённых нами опытах при увеличении этого коэффициента в 3 раза больше площади поперечного сечения винта шнека производительность исследуемого шнека возрастала только в 2 раза. Это объясняется тем, что в таком шнеке образуется два слоя, один из которых (1-й слой) расположен непосредственно в винте шнека, находится под воздействием ленты этого шнека и представляет собой активный слой с более высокой поступательной скоростью слоя материала, а второй слой расположен над шнеком и из-за взаимного трения частиц с торможением их ближе к поверхности имеет меньшую усреднённую скорость материала, являясь в принципе заторможенным в сравнении с первым.

На рисунке 1 представлена зависимость скорости движения транспортируемого материала на свободной поверхности второго заторможенного слоя от коэффициента заполнения кожуха, полученная для шнека с параметрами S = D = 50 мм при транспортировке проса.

1 – при n = 200 мин^-1; 2 – при n = 250 мин^-1; 3 – при n = 300 мин^-1

Рисунок 1 – Зависимость скорости движения материала на свободной поверхности заторможенного слоя над шнеком от коэффициента заполнения U -образного кожуха 1 – at n = 200 min^-1; 2 – at n = 250 min^-1; 3 – at n = 300 min^-1

Figure 1 – Dependence of the material flow rate on the free surface of the inhibited layer above the auger on the filling factor of the U -shaped casing

Анализ этих данных показывает, что для исследуемого шнека, в том числе и в роли дозатора, наиболее эффективным по подаче следует считать коэффициент заполнения поперечного сечения кожуха ψ = 2,25, так как при таком заполнении снижение скорости заторможенного слоя всё ещё незначительное. При коэффициенте заполнения сечения кожуха больше 2,25 наблюдается интенсивное уменьшение поступательной скорости заторможенного слоя. Это объясняется увеличением гидростатического давления сыпучей среды на стенки кожуха и ленту шнека. С увеличением давления возрастают и силы трения, которые оказывают тормозящее действие на движущийся материал в активном и заторможенном слоях.

По результатам наших экспериментов эффективным способом повышения подачи винтовых транспортеров является и увеличение шага шнека, которое ведёт к уменьшению веса ленты, а следовательно, и к снижению их металлоёмкости. Однако в закрытом цилиндриче- ском кожухе значительное увеличение шага при постоянном диаметре приводит к нежелательной закупорке транспортера продуктом и остановке его движения.

Надежность же работы транспортера, особенно дозатора, в глубоком U -образном кожухе не зависит от величины шага, поэтому повышение шага шнека с целью достижения большей подачи транспортера данного типа вполне целесообразно.

На рисунке 2 показаны экспериментальные зависимости подачи шнека от соотношения шага и диаметра его, полученные для шнека диаметром 50 мм при соотношениях S/D от 0,5 до 2,0 при частоте вращения винта n = 200– 500 об/мин. По ним видно, что наибольшую подачу можно получить при шаге шнека S = 2 D . Дальнейшее увеличение шага не дает значительного эффекта, так как при этом в большей мере тормозится второй слой транспортируемого материала.

1 – при n = 200 мин^-1; 2 – при n = 300 мин^-1; 3 – при n = 400 мин^-1; 4 – при n = 500 мин^-1

Рисунок 2 – Зависимости производительности шнекового транспортёра от отношения шага к диаметру шнека 1 – at n = 200 min^-1; 2 – at n = 300 min^-1; 3 – at n = 400 min^-1; 4 – at n = 500 min^-1

Figure 2 – Dependencies of screw auger conveyor performance from the ratio of step to auger diameter

Изменение частоты вращения шнека также позволяет добиться повышения производительности транспортера (рисунок 2). При повышении частоты вращения исследуемого шнека от 200 до 500 об/мин подача увеличивается от

1,6 до 3,6 т/час.

Кинематика сыпучего тела в исследуемом винтовом транспортере при установившемся режиме его работы представлена нами в виде:

c₁ cos β - λ c₂ sin β =

mg λ c₂ cos θ

Nf n     ^,

где c ₁ = cos α ₀ - f_ш sin α ₀ ;

c = sin α + f cos α ; 2          0 ш       0

β – угол подъема винтовой линии, по которой движутся частицы относительно неподвижного кожуха;

α 0 – угол подъема винтовой линии центров давления сыпучего тела на ленту шнека;

f н и f ш – коэффициенты трения материала о кожух и шнек;

Θ – угол наклона оси винта к горизонту;

m и g – масса транспортируемого в шнеке материала ( кг ) и ускорение земного тяготения ( м/с² );

λ – коэффициент характера течения сыпучего материала;

N – сила давления сыпучего тела на кожух шнека, Н .

При постоянном числителе правой части этого уравнения угол β , определяющий траекторию движения, определяется величиной силы трения груза о кожух – Nf н .

С повышением силы трения угол β возрастает, следовательно, и скорость транспортирования увеличивается. Если предположить, что коэффициенты трения постоянны, то угол β становится функцией силы давления сыпучего груза на кожух N.

Сила давления N на кожух шнека, особенно U-образный, в принципе неравномерно распределена по его периметру и зависит от вида напряжённого состояния сыпучего тела, физико-механических свойств отдельных его частиц и всей массы, от упругих и неупругих деформаций сыпучего тела до начала транспортировки и в процессе её, величины центробежных сил инерции, возникающих в результате вращения груза относительно продольной оси шнека, и др.

Так как масса сыпучего тела равна: π D²

m =   λLψ,

где L – длина кожуха шнека, м;

γ – объёмный вес транспортируемого материала, кг/м³ ;

D – диаметр шнека, м, то gπD2Lψγc2λ⋅ cos θ

4 f_n ( c₁ cos β - λ c₂ ⋅ sin β )

1 – при центробежной силе инерции, равной 0; 2 – при Θ = 70º; 3 – при Θ = 55º;

4 – при Θ = 45º; 5 – при Θ = 30º; 6 – при Θ = 0º Рисунок 3 – Зависимость силы давления N от угла β подъёма траектории в виде винтовой линии движения сыпучего материала относительно неподвижного кожуха

1 – with a centrifugal inertial force equal to 0; 2 – at Θ = 70º; 3 – at Θ = 55º; 4 – at Θ = 45º; 5 – at Θ = 30º; 6 – at Θ = 0º Figure 3 – Dependence of the pressure force N on the angle β of the trajectory in the form of a helical line of movement of the bulk material relative to the stationary casing

Далее, принимая конструктивные параметры шнека и физико-механические свойства транспортируемого материала постоянными ( S = D = 0,25 м, L = 1 м в режиме работы при ψ =1 на материале, у которого f н = f ш = 0,4), угол траектории β окажется однозначно связанным с силой N ; независимо от природы этой силы, что представлено на рисунке 3.

При небольших оборотах шнека и сыпучего материала можно принять центробежную силу инерции равной нулю, тогда сила статического давления сыпучего тела на кожух шнека определится выражением:

N = mg^S ^ sin @ ⁺ Dcos & ). (5)

При полном заполнении только шнека ( ψ =1) с U -образным горизонтальным кожухом и S=D упрощённо получим:

N = m·g . (6)

Уравнение (5) иллюстрируется на рисунке 3 кривой 1 .

Точки пересечения уравнений N = N ( β ) и (5) указывают угол β и силу N , которые соответствуют началу процесса транспортирования материала при небольших оборотах винта. Участки кривых N = N ( β ), лежащие ниже точек пересечения с линией 1 , реализуются при ψ < 1. Участки, лежащие выше точек пересечения кривых, могут быть реализованы при повышенных оборотах шнека и заполнения кожуха материалом.

Из уравнения (2) следует, что увеличение силы трения материала о кожух за счёт повышения коэффициента трения ведёт к росту скорости транспортирования. Этот вывод, на первый взгляд, содержит в себе противоречие. Транспортирование груза осуществляется относительно неподвижного кожуха, и поэтому трение о кожух должно быть тормозом в таком движении. Однако в соответствии с уравнением (2), если материал кожуха шнека имеет в разных направлениях различные коэффициенты трения (вдоль кожуха f g , а в поперечном направлении f н ), то угол β , а поэтому и подача зависят от соотношения коэффициентов f н и f g . Увеличение продольного коэффициента трения ухудшает условия транспортирования, увеличение поперечного – улучшает. Известны конструкции винтовых транспортёров-дозаторов, у которых на внутренней поверхности кожуха выполнены продольные ребра. Роль этих ребер легко объяснить на основе приведенных выше данных.

Выводы. Для шнеков, работающих в U -образом глубоком кожухе, оптимальное значение производительности при неизменных его габаритах достигается при коэффициенте заполнения кожуха ψ = 2,25 и величине шага S = 2 D . Формула (1) для определения объёмной подачи такого шнека в дальнейшем подлежит корректировке и уточнению в связи с влиянием на неё толщины слоя транспортируемого материала.

Полученные зависимости позволяют определить траекторию движения дозируемого материала в шнеке при известной силе давления сыпучего корма.

При известной траектории движения материала сила его давления на кожух определяется по зависимости (5), что необходимо для прочностных расчётов винтового транспортера-дозатора.