Обґрунтування конструктивно-кінематичних параметрів завантаження ковшів зернових норій: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра філософії: 133 - Галузеве машинобудування

Abstract

У зв’язку з поширенням обсягів вантажно-розвантажувальних робіт при виконанні різних технологічних операцій с зерновими матеріалами збільшується попит на високоефективні норії різної продуктивності та висоти. В процесі їх удосконалення, що до стабільності роботи та надійності були досягнуті значні результати за рахунок використання нових матеріалів та результатів науково-дослідних робіт. Особливе значення надавалося дослідженню процесів розвантаження, тому що вважалося, що втрати продуктивності були пов'язані з утворенням, так званого, зворотного сипу як в робочу так і холосту труби. Однак до теперішнього часу проблемним залишається завдання дослідження процесу завантаження ковшів, від якого залежить продуктивність норії і сталість її роботи. Цій проблемі присвячено незначну кількість робіт, а отримані результати не відображають фізичну сутність процесу і не відповідають даним, отриманим в процесі експлуатації. Незважаючи на простоту, процес має складний динамічний характер, що залежить не тільки від конструктивно-кінематичних параметрів завантаження, але і від маловивчених, специфічних фізико-механічних характеристик зернових матеріалів таких як: пружність шару, опірність зрушенню всередині матеріалу, пористість при різній щільності упаковки, коефіцієнтів тертя при русі по опорних поверхнях і при лавиноподібному витіканню по спусках. Визначення цих властивостей є актуальним завданням механіки сипучих матеріалів. Дисертаційне дослідження присвячено вирішенню питань, пов'язаних з визначенням фізико-механічних властивостей сипучого зернового матеріалу і з процесами заповнення ковшів зернових норій при різних способах їх завантаження. Таким чином тема дисертаційної роботи є актуальною в науковому і прикладному відношенні, а результати роботи сприяють розвитку зернової галузі сільського господарства та підвищення експортного потенціалу України. Метою дослідження є підвищення продуктивності зернових норій із забезпеченням стабільності заповнення завантаження ковшів через обґрунтування конструктивно-кінематичних параметрів із урахуванням фізико-механічних властивостей зернових матеріалів. Відповідно до поставленої мети виконано такі завдання: – виконати аналітичне дослідження пружності зернового шару та його опору внутрішньому зсуву; – провести аналітичне дослідження процесів заповнення ковшів при зачерпуванні з насипу, завантажені проти ходу та по ходу тягового елемента; – теоретично дослідити опір зачерпуванню при різних режимах роботи норії; – експериментально визначити коефіцієнт опору зсуву двома способами: за параметрами осесиметричного укосу та прямим зсувом; – експериментально визначити коефіцієнт тертя зернового матеріалу пластиковими та сталевими поверхнями; – визначити умови та параметри лавиноподібного руху шару зернового матеріалу по нахиленій поверхні розробленим експериментальним пристроєм. Об’єктом дослідження є завантаження норійних ковшів з урахуванням фізико-механічних властивостей шару зернового матеріалу. Відповідно, предметом дослідження є закономірності впливу конструктивно-кінематичних параметрів норій на завантаження ковшів зерновими матеріалами. Методи дослідження, що застосовувались у роботі є аналітичні дослідження з використанням методів теорії пружності, законів фізики та теоретичної механіки, планування експерименту що до визначення кількості повторень іспитів залежно від відносної похибки вимірювань та необхідного проценту надійності, методики графічної обробки даних іспитів, застосування розроблених пристроїв та сучасних вимірювальних приладів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше встановлено залежності дотичних напружень, кутових деформацій зернового шару та коефіцієнту опору зсуву від параметрів укосу, що враховують параметри внутрішнього зсуву; вперше аналітичними методами визначено коефіцієнт заповнення ковшів та коефіцієнти опору при зачерпуванні з насипу та завантажені по ходу і проти ході тягового елемента. Отримав подальший розвиток метод визначення параметрів внутрішнього зсуву та граничних значень функції текучості зернових матеріалів і раціональних конструкційно-кінематичних параметрів заповнення ковшів, що на відміну від відомих враховує дотичні напруження, кутові деформації зернового шару та коефіцієнт опору; Удосконалено метод розрахунку зернових норій, що на відміну від відомих враховує коефіцієнт заповнення ковшів при зачерпуванні з насипу та завантажені по ходу і проти ході тягового елемента. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що залежності отримані в процесі аналітичних та експериментальних досліджень, дозволяють визначити раціональні конструктивні і кінематичні параметри робочих органів, які забезпечують задану продуктивність та стабільність роботи норії. Результати роботи та розроблені рекомендації можна використати, як на стадії проектування нових машин, так і при модернізації існуючих з метою підвищення їх продуктивності. Одержані результати роботи впроваджено у виробничій процес: при розробці норій продуктивністю 100-350 т/год і висотою 30-60 м на Карлівському машинобудівному заводі та Харківському заводі елеваторного обладнання; для налаштування норій на роботу в оптимальному режимі на ООО СП «Білий колодязь». Результати роботи випроваджено у навчальний процес Державного біотехнологічного університету у наступних дисциплінах: «Організація технологічного процесу елеваторної промисловості», «Експлуатація та обслуговування машин ПХВ», «Проектування підприємств зберігання і переробки зерна», «Основи зберігання і переробки зерна». В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-прикладної задачі, що виявляється в обґрунтуванні конструктивно кінематичних параметрів завантаження ковшів зернових норій через із урахуванням фізико-механічних властивостей зернових матеріалів. Це дозволило підвищити продуктивність зернових норій та забезпечити стабільність заповнення завантаження ковшів. Основні наукові результати виконаних досліджень полягають в наступному: Проведеним узагальненням результатів відомих досліджень встановлено, що залишається не вирішеним завдання підвищення продуктивності зернових норій із забезпеченням стабільності заповнення завантаження ковшів із урахуванням фізико-механічних властивостей зернових матеріалів. Статистичні методи визначення ефективних кутів внутрішнього тертя не відображають повністю процес взаємодії часток при зсуві. Процес зачерпування розглядався, як схема черпання одним ковшем, у той час як при роботі норії це реалізується послідовно групою ковшів з зовсім іншою схемою їх заповнення. Вирішено науково-прикладну задачу, спрямовану на підвищення продуктивності зернових норій та забезпеченням стабільності заповнення завантаження ковшів шляхом обґрунтування конструктивно-кінематичних параметрів. Встановлено залежності дотичних напружень, кутових деформацій зернового шару та коефіцієнту опору зсуву від параметрів укосу, що на відміну від відомих враховують параметри внутрішнього зсуву. Аналітичними методами визначено коефіцієнт заповнення ковшів та коефіцієнтів опору при зачерпуванні з насипу та завантажені по ходу і проти ході тягового елемента, що враховують, що на відміну від відомих враховує дотичні напруження, кутові деформації зернового шару та коефіцієнт опору. Встановлено, що пружність і опір зсуву визначається необхідністю подолання сил від дії ортогональних дотичних напружень, внаслідок кутової деформації структури укладання зернин і дотичних напружень тертя кочення при виході зернин із зачеплення. Значення відносної кутової деформації зсуву Y для пшениці Y = 0,520; проса – 0,492; гороху – 0,487; сої – 0,477; ячменю – 0,563; вівсу – 0,446; жита – 0,590; гречки – 0,523; кукурудзи – 0,580; соняшнику – 0,450. При запуску норії після завантаження бункера і утворення насипу відбувається заповнення ковшів, занурених в насип. Встановлено, що коефіцієнт зачерпування складає КЗАЧ = 2,416, а загальний опір зачерпування – FdS = 279,6 Н. Запуск норії при порожньому бункері призводить до його тривалого заповнення і до тривалої роботи норії зі зниженою продуктивністю. Коефіцієнт зачерпування при сталому режимі роботи норії складає – KЗАЧ = 1,748; опір зачерпування Fdp = 202,2 Н. Збільшення коефіцієнтів зачерпування при збільшенні швидкостей руху носить нелінійний зростаючий характер. При швидкостях понад 5 м/с різко зростає питома потужність приводу. Всі зернові матеріали з вологістю W < 12,5% необхідно завантажувати в ковші по ходу. Пшениця з оптимальною вологістю 14,5% і вище може завантажуватися проти ходу. Зерно кукурудзи має більш пружну і крихку оболонку і м’який ендосперм, тому її схильність до травмування дуже велика. Навіть при оптимальній вологості кукурудзи 14% завантаження необхідно проводити по ходу. Крім того робота норії повинна відбуватися при швидкостях 0,7-1,2 м/с для сухого зерна (W < 12%) та 1,2-2 м/с та для зерна з вологістю 14% та вище. При прямому падаючому потоці, через розширення живильного потоку, особливо для кулеподібних зернин (горох, соя), при лавиноподібному русі за рахунок відскоку, значна частина зерна може не потрапити в ковш. Коефіцієнт розширення потоку досягає значень КН = 1,89–2,9 для різних матеріалів, при косому падінні КН = 1,15–1,2, в зв’язку з цим пряму подачу не рекомендовано для сировини з вологістю W < 12% та для кулеподібних зернин. Експериментальними дослідженнями лавиноподібного потоку встановлено, що не рекомендується застосовувати пряму подачу: для кулеподібних крупних зерен (гороху, сої та ін.); для сипких матеріалів з вологістю до 12 %. Косу подачу застосовувати обов’язково для тягових органів з кількістю ковшів на 1 м, що наближається до максимально допустимого. Результати дослідження впроваджено на ПрАТ «Карлівський машинобудівний завод» (м. Карлівка) з економічним ефектом від впровадження у серійне виробництво 105 тис. грн. та ООО СП «Білий колодязь» з економічним ефектом 120 тис. грн. Результати роботи впроваджено у навчальний процес Державного біотехнологічного університету (ХНТУСГ ім. П. Василенка).