V005272 Дипломная работа Конструктивные параметры упруго-деформируемой вставки и пробкообразующей камеры шнекового питателя

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...5

1. Литературный обзор………………………………………………………..….6

1.1. Анализ конструкции шнекового питателя, принцип работы…………………………………………………………………………….12

1.2. Анализ факторов, влияющих на производительность питателя ………..13

1.3. Анализ технических решений, исключающих колебания производительности шнекового питателя..…………………..……………….14

1.4. Патентный поиск…………………………………………………………...20

2. Варианты модернизации шнекового питателя……………………………..20

2.1. Обоснование вариантов упруго-деформируемой вставки……………….20

2.2. Расчет на прочность элементов пробкообразующей камеры…………....22

2.2.1. Расчет фланцевых соединений……………………………………….….22

2.2.2. Расчет цилиндрического корпуса………………………………………..26

2.2.3. Расчет упруго-деформируемой вставки………………………………....28

3. Экспериментальные исследования…………………………………………..29

3.1. Модернизация и подготовка экспериментального стенда……………….29

3.2. Проведение экспериментов, обработка результатов…………………......30

3.2.1. Назначение, устройство, работа экспериментального стенда ………...30

3.3.Результаты исследований.………………………………………………..…47

Заключение…………………………………………………………………………..48

Список литературы………………………………………………………………….49

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение

Одним из наиболее распространенных видов транспорта  в современной промышленности является пневматический способ транспортирования. Он  по многим показателям существенно превосходит  другие виды транспорта. С помощью пневмотранспорта перемещают все возможные сыпучие материалы по сложным трассам даже при современных требованиях к компактности производства, используя основные их преимущества -  отсутствие пылевыделения и потерь материала, а также возможность сочетания транспортирования с другими технологическими процессами. Но даже наиболее эффективные нагнетающие пневмотранспортные установки затрачивают на транспортирование в 1,5-3 раза больше энергии, чем механические виды  транспорта.  Причем  основные энергозатраты приходятся на питающие устройства, где  энергия  затрачивается на их привод и теряется в виде утечек сжатого воздуха.   Главная причина этого явления - слабая изученность процессов загрузки нагнетающего трубопровода пневмоустановок и,  отсюда, - отсутствие полностью удовлетворяющего современным требованиям  питающего устройства. Это негативно сказывается на выборе рациональных размеров  конструкции и режима транспортирования, что значительно снижает эффективность транспортирования и сужает область применения пневмотранспорта в целом. В работах, направленных на снижение энергоемкости пневмотранспорта особое внимание  уделяется   анализу затрат энергии в трубопроводе, в разгрузителях и других элементах пневмоустановок, а в питающих устройствах  едва  принимаются во внимание. Таким образом, основным направлением совершенствования работы пневмотранспортных установок является исследование процесса загрузки трубопровода транспортируемым  материалом.

Цель работы – определение конструктивных параметров упруго-деформируемой вставки и пробкообразующей камеры.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие  задачи:

- провести литературный обзор и патентный поиск существующих конструктивных решений шнековых питателей, обеспечивающих равномерную подачу сыпучих материалов в материалопровод пневмотранспортных установок и исключающих заклинивание  шнека;

- предложить варианты упруго-деформируемой вставки, исключающей недостатки шнекового питателя;

- провести прочностные расчеты упруго-деформируемой вставки и пробкообразующей камеры;

- разработать схему экспериментального стенда и методику проведения  эксперимента;

- провести экспериментальные исследования процесса подачи материала шнековым питателем в материалопровод нагнетательной пневмотранспортной  установки.

1. Литературный обзор

Составной частью всех пнемотранспортных установок является  питающее устройство (питатель). Питатели предназначены для подачи транспортируемого материала в материалопровод, находящийся под избыточным давлением воздуха. Во избежание потерь материала, утечки воздуха, должно соблюдаться условие  высокой герметичности. Питатели нагнетающих пневмотранспортных установок также должны обладать еще рядом требований:  

-равномерность и непрерывность подачи транспортируемого материала в материалопровод с требуемой производительностью;

- простота устройства;

- надежность в эксплуатации;

- минимальный удельный расход энергии на привод;

- минимальные габариты;

- небольшая стоимость.

Однако, как видно из работ [1,2,3,4,5], ни одна из конструкций существующих питателей не отвечает в полной мере предъявляемым к ним требованиям. При этом несовершенство конструкций современных питателей приводит к ограничению области  применения  пневматического способа транспортирования.Основным недостатком, сдерживающим использование пневмотранспортных установок, являются большие затраты энергии, при этом до 50% всей энергии может затрачиваться в питающем устройстве.   Общая  сумма составляющих  состоит из  энергии на привод питателя, энергии на преодоление гидравлических сопротивлений элементов питателя и энергии на холостом ходу при периодической работе питателя. Кроме этого,  сумму   энергозатрат дополняют потери энергии в виде утечек сжатого   воздуха через питатель, ведущие также к пылевыделению и сводообразованию в питающих самотеках.

К тому же стоимость питающих устройств является существенной составляющей стоимости всего оборудования пневмотранспортной установки, и его доля может достигать 50%. Таким образом, питающие устройства являются важнейшими элементами пневмотранспортной установки. И, как показывают результаты  НИР [1,2], помимо основной доли стоимости и энергозатрат ПТУ, питатели оказывают существенное влияние на устойчивость, а следовательно, и технико-экономические показатели работы всей  системы транспортирования.

 По характеру процесса транспортирования сыпучих материалов пневмопитатели бывают непрерывного и дискретного действия  [20].

 К питателям непрерывного действия относятся шахтные, шнековые, шлюзовые, ленточноскребковые, инерционные (трубчатые и лопастные), эжекторные, а к питателям периодического действия - камерные. Цикличность работы свободнопоршневых и диафрагменных питателей обуславливает их промежуточное положение между питателями непрерывного и периодического действия. Ленточно-скребковые, инерционные, поршневые и диафрагменные питатели не нашли широкого применения в качестве питающих устройств  пневмотранспортных установок,  а потому крайне  редко  встречаются в литературе.

В ленточно - скребковом питателе материал подается в пневмопровод давлением скребков, закрепленных на бесконечной прорезиненной ленте, установленной на ведущем и ведомом барабанах. Верхняя часть ленты заключена в кожух прямоугольного сечения, в боковых стенках которого имеется три отверстия с выгрузным окном, а два других - с материалопроводом. При движении ленты материал из бункера забирается скребками и транспортируется к материалопроводу,  где через окна  в кожухе  воздушным потоком подается в материалопровод. Ленточно-скребковые питатели не повреждают частиц материала, однако они не обеспечивают надежной герметизации пневмопровода, и поэтому могут применяться только в низконапорных установках.

В инерционных питателях для подачи материала используется сила инерции его частиц в поступательном или вращательном движении.  Такие питатели 12 не требуют высокой точности изготовления, позволяют сократить общие потери давления воздуха в системе за счет уменьшения потерь давления на разгон материала.

Вместе с тем, лопастные питатели вызывают разрушение частиц материала и часто сами выходят из строя при попадании инородных тел. Кроме того, такие питатели могут поддерживать хорошую герметизацию при низком  давлении воздуха.

Поршневые питатели предназначены для работы на мелкодисперсных материалах. Обеспечивают хорошую герметизацию, хотя и имеют сложную конструкцию и систему автоматизации  [6].

В диафрагменных питателях роль поршня выполняет гибкая диафрагма. Питатель несложен по конструкции и неэнергоемок, имеет малые габариты и массу, не разрушает частиц материала,  обеспечивает  надежную герметизацию пневмопровода, что дает возможность использовать его на пневмоустановках высокого давления. Однако этот питатель может работать только на хорошо сыпучих  материалах.

Наибольшее распространение в промышленности получили четыре типа питающих устройств пневмотранспортных установок: эжекторные, шлюзовые, камерные и винтовые.

В эжекторных питателях [7,8,9,10,11,12] сыпучий материал из загрузочной воронки (рис. 1.1) по криволинейному патрубку поступает в начальный участок транспортного трубопровода, где он подхватывается  струей сжатого воздуха. Скорость истечения воздуха из форсунок в этой зоне весьма значительна и достигает нескольких сотен метров в секунду. Это необходимо для создания разряжения в смесительной камере. Эжекторные питатели не имеют движущихся частей, отличаются исключительной простотой конструкции, но создают весьма низкий статический напор аэросмесей (5...20 кПа) даже при сравнительно большом  давлении  подводимого воздуха.  Отсюда  - малая дальность  транспортирования  [8,9]. К тому же большая скорость воздуха и материала приводит к значительному износу и требует высокой точности при изготовлении "сопла".

1 – воронка; 2 – регулировочный болт; 3,5 – пластины; 4 – корпус.

Рис. 1.1  - Схема эжекторного питателя.

В качестве загрузочных устройств нагнетательных систем широкое применение нашли шлюзовые питатели. Они успешно применяются в легкой и пищевой  промышленности [13,14,15,12], в горном деле [16], в строительстве, в сельском хозяйстве [17]. Шлюзовые питатели сравнительно просты, малогабаритны, имеют небольшую массу. Основное достоинство шлюзовых питателей - малый расход энергии на привод (0,3-1,0  кВт)  [9,12]. Недостаток - большая утечка воздуха через неплотности и межлопастное пространство[18]. Поэтому для улучшения герметизации шлюзовых питателей увеличивают жесткость конструкции, повышают точность обработки сопрягаемых поверхностей ротора и корпуса,  что  влечет за собой   увеличение стоимости изготовления. Схема одного из многочисленных шлюзовых питателей приведена на рис.  1.2.  

1 – обратный клапан; 2 – приемный патрубок; 3 – подшипник; 4 – крышка;  

5 – корпус; 6 – ротор.

Рисунок 1.2  - Схема шлюзового питателя У1-БПШ

В зависимости от способа подачи аэросмеси в материалопровод камерные питатели делят на питатели с верхней и с нижней выдачей  материала.  Кроме того, питатели могут быть с аэрирующим устройством и без него [14,11,12,19,20]. Современные камерные питатели выпускаются, как правило, с автоматическим управлением, что позволяет увеличить производительность  пневмоустановок. К достоинствам камерных питателей относится: отсутствие движущихся рабочих органов для перемещения транспортируемого материала, малый расход энергии на транспортирование, минимальные утечки воздуха через питатель, что позволяет их успешно применять в высоконапорных пневмоттранспортных системах. Однако значительные габариты, сводообразование сыпучего материала в камерах, значительные затраты времени на заполнение камер питателя материалом, периодичность работы, которую полностью не удается избежать и в многокамерных питателях, ограничивают их использование в пневмоустановках  [1].  Схема камерного  питателя  с верхней выдачей  продукта  представлена  на рис. 1.3.

1 – пористая перегородка; 2 – конический клапан; 3 – материалопровод; 4 – корпус; 5 – насадка.

Рисунок 1.3 - Схема камерного питателя с верхней выдачей  материала

Широкое применение в качестве загрузочных устройств нашли шнековые (винтовые) питатели [21,22,23,11,24]. Основным рабочим органом является напорный быстроходный шнек (рис. 1.4). Важнейшим  достоинством шнековых питателей является  непрерывность

1 – электродвигатель; 2 – рама; 3 – муфта; 4 – кожух; 5 – смесительная камера; 6 – патрубок; 7 – воздуховод; 8 – шнек.

Рис 1.4 - Шнековый питатель

 и равномерность поддержания оптимальной концентрации аэросмеси, а в связи с этим - высокая надежность эксплуатации. В отличие от шлюзовых, в винтовых питателях утечка воздуха не превышает 10 - 15 %, что достигается, главным образом, благодаря наличию  пробки  [3,25,26,24]. Это позволяет применять их в пневмоустановках с высоким давлением до 200 кПа.

1.1 Анализ шнекового питателя типа и принцип его работы

С помощью  шнековых (винтовых) питателей транспортируются сотни наименований пылевидных, мелкозернистых материалов в различных отраслях народного   хозяйства. В  качестве загрузочных устройств пневмотранспортных установок винтовые питатели начали применяться в конце 20-х годов и вскоре получили широкое распространение во всем  мире.  В настоящее время созданы и нашли применение винтовые питатели различных конструкций. В нашей стране  огромная работа по созданию и совершенствованию винтовых питателей была проведена во ВНИИПТМАШе, ВНИИЗе, ВНИИСтройдормаше. Разработкой и изготовлением винтовых питателей за рубежом занимаются фирмы: «Петере», «Мюллер», и др. Винтовой питатель отличается от винтового конвейера лишь наличием устройств  для подачи сжатого  воздуха  [9,2]. В процессе исследований опытных образцов и моделей винтовых питателей  [27,2,28] установлено, что эффективность их работы, то есть хорошая герметизация, обеспечивается наличием в их конструкции участка кожуха, не занятого витками шнека, - специальной насадки. В этой насадке образуется уплотненный слой транспортируемого продукта или так называемая "грузовая пробка". Наличие "грузовой пробки" препятствует проникновению сжатого воздуха из полости смесительной камеры 5 (рис. 1.4) в приемную 4, тем самым практически, исключая утечки воздуха через питатель. "Грузовая пробка" образуется при выталкивании транспортируемого материала в полость специальной насадки 6. Материал из приемной  камеры 4 в сторону смесительной  транспортируется  под действием лопастей   быстровращающегося шнека 8 в виде ленты, прижатой к корпусу. При этом материал, находящийся под действием центробежных сил, при малом заполнении последних витков не может перемещаться в смесительную камеру, которая находится под избыточным давлением воздуха  [3,28]. Материал будет заполнять свободное пространство около вала шнека, и только после этого, при полном заполнении, материал начнет выталкиваться в зону "грузовой пробки"  и смесительную камеру. Витки шнека, где происходит описанное заполнение, называются напорными. В смесительной камере материал подхватывается потоком воздуха  и увлекается в материалопровод 7.

1.2 Анализ факторов влияющих на производительность питателя  

Основной недостаток винтового питателя - это высокий удельный расход энергии, затрачиваемой на перемещение и уплотнение материала винтом питателя. Необходимо отметить, что винтовые питатели рекомендуется применять для подачи тонкодисперсных и мелкозернистых материалов. Для крупнозернистых материалов они непригодны, так как невозможно обеспечить высокую герметичность: наличие  межзернового  пространства будет  причиной  больших  утечек воздуха. К тому же наличие большого количества современных конструкций винтовых питателей полностью не решает проблему загрузки материалопровода нагнетающих пневмотранспортных установок. Помимо необоснованно больших затрат энергии на привод, остается проблема необходимости перехода с транспортирующей части, занятой шнеком, имеющей больший размер, на трубопровод с меньшим размером. С целью уменьшения утечек воздуха и затрат энергии приходится значительно усложнять конструкцию питателя, а это влечет за собой повышение его стоимости и снижение надежности и срока службы. К тому же величина производительности  существующих  винтовых питателей  существенно  ниже  значений, рассчитываемых  по имеющимся теоретическим  методикам.  

Кроме перечисленных недостатков, до сих пор не решена проблема ступенчатой загрузки материалопровода и возможности оперативного регулирования производительности без остановки пневмосистемы. Это позволило бы проводить гарантированный беззавальный запуск и остановку системы пневмотранспортирования. Оставляет желать лучшего и качество работы уплотняющих устройств подшипникового узла, в результате чего присутствуют пылевыделение и потери продукта, который,  попадая  в подшипниковый узел,  сокращает  срок  его службы.  

Ещё более существенным недостатком является и проблема поддержания постоянной степени герметизации при наличии материала в питателе, а также во время его остановки.  

Таким образом, существует множество недостатков в конструкциях современных винтовых питателей, что приводит к необходимости поиска возможных направлений в повышении эффективности работы винтового питателя и методик  расчета.

1.3 Анализ технических решений, исключающих колебания производительности шнекового  питателя

На данный момент существует множество конструкций шнековых питателей, которые, сохраняя общий принцип действия, отличаются друг от друга способом герметизации. Герметизация шнековых питателей, как уже отмечалось, может осуществляться с помощью "грузовой пробки", образующейся в кожухе  (рис.  1.4) , незанятым шнеком [8,2]. Причём, наряду с прямой цилиндрической, "грузовая пробка" для лучшего уплотнения продукта может иметь различную форму; отвода круглой формы  29] или с изменяющейся по длине формой поперечного сечения [1](рис.1.5).

1 – питатель; 2 – загрузочный бункер; 3  - отвод круглой формы; 4 – смесительная камера; 5 – воздуховод; 6 – материалопровод.

Рисунок 1.5 - Схема питателя с отводом круглой  формы

Однако при снижении или прекращении подачи транспортируемого материала снижается и герметизирующая способность питателя. Увеличение же длины "грузовой пробки" приводит к значительному повышению энергозатрат на привод. Благодаря консольному расположению вала шнека, используется способ получения "грузовой пробки" при помощи обратного клапана, представляющего из себя диск, который  отделяет  смесительную камеру  от кожуха питателя. что  уменьшает фильтрацию сжатого воздуха через питатель и позволяет устанавливать "грузовую пробку" меньшей длины. При этом уплотнение продукта происходит под действием груза в питателях типа  С [30] и пружины или пневмоцилиндра в питателях типа НПВ [12]. У таких конструкций винтовых питателей наблюдается неравномерный износ клапана  [31], с этой целью клапан изготавливают в виде полого шара с возможностью вращения относительно своей оси. Струю воздуха направляют по касательной к шаровой поверхности, что способствует непрерывному вращению  клапана  (рис. 1.6).  

1 – корпус; 2 – смесительная камера; 3 – шнек; 4 – рычаг; 5 – клапан шарообразной формы; 6 – воздуховод; 7 – сопло.

Рис 1.6 - Схема питателя с обратным клапаном шарообразной формы.

Для создания герметизирующей "пробки" продукта во многих случаях на входе в смесительную камеру устанавливают эластичный элемент [32,33,34] (рис. 1.7)

1 – корпус; 2 – шнек; 3 – смесительная камера; 4 – эластичный элемент; 5 –материалопровод.

Рисунок 1.7 - Схема питателя с эластичным элементом

Это способствует поддержанию хорошей герметичности при различных режимах работы питателя и на холостом ходу. Однако ввиду больших   давлений продукта и его абразивности эластичные элементы быстро изнашиваются. Их частички попадают в транспортируемый материал, которые в отличие от металлических трудноотделимы. Помимо этого, для достижения лучшей степени герметизации кожух питателя изготавливают из участков  с различным коэффициентом  трения  [35]. Однако со временем эксплуатации шероховатость поверхности участков изменяется, что сводит на нет первоначальное  преимущество. Также облегчению уплотнения фуз а способствует уменьшающийся шаг напорных витков в сторону смесительной камеры. Это приводит к замедлению поступательной скорости  транспортируемого  груза [11,12].

Существует и способ поддержания постоянной плотности герметизирующей "пробки" установкой последних 1 -2 витков лопасти шнека из упругого материала и не закрепляя их на валу [36]. Однако такой способ очень чувствителен к перепадам режима транспортирования (производительность, давление воздуха). Кроме того, для предотвращения прорыва воздуха через питатель шнек с приводом закрепляют  с возможностью продольного перемещения[38](рис.1.8).