Обґрунтування параметрів шнекових механізмів з еластичними змінними поверхнями для транспортування насіннєвих зернових матеріалів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 “Галузеве машинобудування”. – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2023. Дисертація присвячена теоретичному обґрунтуванню і новому технічному забезпеченню вирішення наукового завдання, яке полягає у зниженні ступеня пошкодження насіннєвих зернових матеріалів при транспортуванні гвинтовими конвеєрами шляхом розроблення нових змінних гвинтових робочих органів з еластичними поверхнями і вибору раціональних конструктивних параметрів та режимів їх роботи. Проведено структурний синтез гвинтових робочих органів із еластичними поверхнями з метою пошуку конструктивних рішень для зменшення пошкодження зернових матеріалів при транспортуванні гвинтовими конвеєрами у порівнянні із традиційними жорсткими шнеками, використовуючи морфологічний аналіз з ієрархічним групуванням конструктивних ознак. Одержано декілька конструкцій гвинтових робочих органів, що відповідають меті синтезу, на які одержано патенти України на корисні моделі, зокрема з щіткоподібною гвинтовою частиною, з периферійною еластичною щіткоподібною частиною, із суцільною камероподібною частиною. Проведено теоретичні дослідження деформації волокон еластичних щіткоподібних гвинтових робочих органів при транспортуванні зернового матеріалу. Виведено та розв’язано числовим методом диференціальне рівняння для середньої лінії деформації декількох волокон еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу горизонтального та нахиленого гвинтового конвеєра із тихохідним режимом роботи під час транспортування сипкого матеріалу при коефіцієнті завантаження до 0,45. На основі проведеного розв’язку диференціального рівняння встановлено, що при зменшенні діаметра волокна від 2,3 мм до 1,7 мм для однакових зовнішніх навантажень відбувається деформація волокон на величину 5 мм. При збільшенні робочої частини волокон від 20 мм до 40 мм для однакових зовнішніх навантажень відбувається деформація волокон на величину 8,6 мм. Відтак використання волокон із більшою довжиною робочої частини знижує навантажувальну здатність еластичного щіткоподібного шнека, проте призводить до зменшення величини травмування насіннєвого зернового матеріалу, що транспортується. Проведено теоретичні дослідження параметрів взаємодії волокон еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу із зерновим матеріалом. Виведено рівняння рівноваги зернини в початковий момент контакту із волокнами еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу. Визначено кут контакту між зерниною та волокном гвинтового робочого органу. Виведено рівняння для знаходження допустимого зовнішнього навантаження на зернину, при якому величина прогину волокон не перевищує граничну величину, при якій забезпечується транспортування зернового матеріалу. Встановлено, що збільшення кута α контакту між зерниною та волокном призводить до зменшення значення зовнішнього навантаження Р. При куті α=90 град на зернину діють тільки сили тертя. Збільшення відстані l1 між центрами волокон круглого поперечного перерізу, що взаємодіють із зерниною, призводить до зменшення навантаження Р, при чому збільшення коефіцієнтів тертя µ1 та µ2 призводить до зростання навантаження Р. Суттєве зменшення навантаження Р спостерігається при l1, що дорівнює діаметру зернини. Визначено умову защемлення зернини між волокнами еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу та внутрішньою поверхнею кожуха. Встановлено, що збільшення кута α контакту між зерниною та волокном та відстані l1 між центрами волокон круглого поперечного перерізу призводить до збільшення ймовірності защемлення зернини між волокнами еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу. Для коефіцієнта тертя між зерниною та волокном µ1<0,5 кут α знаходиться в межах від 50 град до 90 град, а відстань l1 від 4 мм до 5 мм при радіусі зернини 2 мм. Визначено критичний кут контакту між зерниною і волокном та критичну відстань між центрами волокон круглого поперечного перерізу, при яких відбувається защемлення зернини. Встановлено співвідношення зазору між волокнами та діаметром зернини, при яких можливе защемлення зернини, з якого випливає, що чим більший коефіцієнт тертя µ1, тим менше таке співвідношення. Так для коефіцієнта тертя µ1=0,5 защемлення зернини можливе при співвідношенні зазору до діаметра зернини від 0,75, а для µ1=0,3 – від 0,89. Спроектовано та виготовлено дослідний зразок гвинтового конвеєра із можливістю використання різних діаметрів кожуха та змінних гвинтових робочих органів з еластичними поверхнями (суцільною камероподібною частиною, з периферійною еластичною щіткоподібною частиною, з щіткоподібною гвинтовою частиною), та з можливістю керування режимами роботи конвеєра за допомогою ПК через перетворювач частоти струму Altivar 71 з автоматичною візуалізацією та фіксацією отриманих результатів при дослідженні продуктивності транспортування та ступеня пошкодження насіннєвого зернового матеріалу після його переміщення в діапазонах частоти обертання гвинтового робочого органу від 0 до 511,2 об/хв, внутрішнього діаметра кожуха від 96 мм до 108 мм та кута нахилу конвеєра від 0º до 30º. Представлено результати експериментальних досліджень трьох різних типів гвинтових робочих органів з еластичними поверхнями, на основі статистичної обробки яких, за допомогою прикладного програмного забезпечення, встановлено емпіричні закономірності впливу конструктивних параметрів та режимів роботи гвинтових конвеєрів із змінними гвинтовими робочими органами з еластичними поверхнями на їх продуктивність та ступінь пошкодження насіннєвих зернових матеріалів при транспортуванні. Одержано такі результати. Продуктивність під час транспортування гвинтовим робочим органом з еластичною суцільною камероподібною частиною складала: для ячменю максимальна ­ 6,37 т/год., а мінімальна – 3,98 т/год.; для кукурудзи максимальна ­ 6,67 т/год., а мінімальна – 4,18 т/год. Збільшення частоти обертання гвинтового робочого органа n від 284 об/хв. до 511,2 об/хв. призводить до зростання продуктивності в 1,29 рази. При цьому збільшення діаметра кожуха від 96 мм до 108 мм забезпечує зростання продуктивності в 1,11 рази, а зміна кута нахилу конвеєра від 0 град до 30 град. призводить до спадання продуктивності в 1,12 рази. Продуктивність під час транспортування гвинтовим робочим органом з периферійною еластичною щіткоподібною частиною складала: для ячменю максимальна ­ 6,61 т/год, а мінімальна – 3,49 т/год.; для кукурудзи максимальна ­ 6,92 т/год, а мінімальна – 3,84 т/год. Збільшення частоти обертання гвинтового робочого органа n від 284 об/хв. до оптимальної частоти обертання призводить до зростання продуктивності в 1,25 рази для ячменю (від 430 до 440 об/хв.) та в 1,22 рази для кукурудзи (від 450 до 480 об/хв.). Продуктивність під час транспортування гвинтовим робочим органом з щіткоподібною гвинтовою частиною складала: для ячменю максимальна ­ 4,37 т/год, а мінімальна – 1,77 т/год.; для кукурудзи максимальна ­ 5,25 т/год, а мінімальна – 2,56 т/год. Збільшення частоти обертання гвинтового робочого органа n від 284 об/хв. до 470…480 об/хв. призводить до зростання продуктивності в 1,25 рази. При цьому збільшення діаметра кожуха від 96 мм до 108 мм забезпечує зростання продуктивності в 1,36 рази для ячменю та в 1,29 рази для кукурудзи, а зміна кута нахилу конвеєра від 0 град до 30 град. призводить до спадання продуктивності в 1,54 рази для ячменю та в 1,36 рази для кукурудзи. Встановлено, що максимальна величина ступеня пошкодження зерна кукурудзи при транспортуванні гвинтовими робочими органами з еластичними суцільними камероподібними частинами складала 0,26%, при транспортуванні гвинтовими робочими органами з периферійною еластичною щіткоподібною частиною ­ 0,25%, а при транспортуванні гвинтовими робочими органами з гвинтовими робочими органами з щіткоподібною гвинтовою частиною ­ 0,24%. Травмування кукурудзи при її переміщенні шнеками з суцільним камероподібним елементом та периферійною еластичною щіткоподібною частиною є нижчою в 4,06… 4,32 рази, а при використанні шнека з щіткоподібним елементом є нижчою в 4,5 рази, ніж при використанні звичайних жорстких шнеків. Збільшення частоти обертання гвинтового робочого органа n від 284 об/хв. до 511,2 об/хв. призводить до зростання ступеня пошкодження зерна кукурудзи в 1,55 рази. Розроблені конструкції гвинтових конвеєрів оснащених гвинтовими робочими органами із еластичними поверхнями та інших видів гвинтових конвеєрів захищені дев’ятьма патентами України на корисні моделі, а гвинтовий конвеєр з еластичною щіткоподібною поверхнею, що виготовлений на основі патенту України № 150968, пройшов успішні промислові випробування у Селянському фермерському науково­виробничому господарстві «Коваль». Річний економічний ефект від використання дослідного зразка склав 6870 грн.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in specialty 133 "Industrial engineering". ­ Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2023. The thesis is devoted to the theoretical foundations and new technical support for solving the scientific task, which consists in reducing the degree of damage to seed grain materials during transportation by screw conveyors by developing new variable screw working bodies with elastic surfaces and choosing rational design parameters and modes of their operation. A structural synthesis of screw working bodies with elastic surfaces was carried out in order to reduce damage to grain materials during transportation by screw conveyors in comparison with traditional rigid screws, using morphological analysis with hierarchical grouping of structural features. Several designs of screw working bodies corresponding to the purpose of synthesis were obtained, for which patents of Ukraine for useful models were obtained, in particular with a brush­like helical part, with a peripheral elastic brush­like part, with a continuous chamber­like part. Theoretical studies of the deformation of elastic brush­like screw working bodies fibers during the transportation of grain material have been carried out. The differential equation for the mean line of several fibers deformation of an elastic brush­like screw working body of a horizontal and inclined screw conveyors with a low­speed mode of operation during transportation of bulk material at a loading factor of up to 0.45 was derived and solved numerically. Based on the solution of the differential equation, it was established that when the fiber diameter decreases from 2.3 mm to 1.7 mm for the same external loads, the fibers are deformed by 5 mm. When the working part of the fibers is increased from 20 mm to 40 mm for the same external loads, the fibers are deformed by 8.6 mm. Therefore, the use of fibers with the longer length of the working part reduces the load capacity of the elastic brush­like auger, but leads to a decrease in the amount of damage to the seed grain material being transported. Theoretical studies of the parameters of the interaction of the fibers of the elastic brush­like screw working body with the grain material have been conducted. The equation of the grain equilibrium at the initial contact moment with the fibers of the elastic brush­like screw working body is derived. The contact angle between the grain and the fiber of the screw working body is determined. An equation is derived for finding the permissible external load on the grain, at which the amount of fiber deflection does not exceed the limit value at which the transportation of the grain material is ensured. It was established that an increase in the contact angle α between the grain and the fiber leads to a decrease in the value of the external load P. At an angle α=90 degrees, only frictional forces act on the grain. An increase in the distance l1 between the centers of round cross­section fibers interacting with the grain leads to a decrease in the load P, while an increase in the friction coefficients µ1 and µ2 leads to an increase in the load P. A significant decrease in the load P is observed at l1, which is equal to the diameter of the grain. The condition of grain chocking between the fibers of the elastic brush­like screw working body and the inner surface of the casing is determined. It was established that an increase in the contact angle α between the grain and the fiber and the distance l1 between the centers of the fibers of a circular cross­section leads to an increase in the probability of the grain being chocked between the fibers of the elastic brush­like helical working body. For the friction coefficient between grain and fiber µ1 <0.5, the angle α is in the range from 50 degrees to 90 degrees, and the distance l1 is from 4 mm to 5 mm with a grain radius of 2 mm. The critical angle of contact between the grain and the fiber and the critical distance between the centers of the fibers of round cross­section, at which the chocking of the grain occurs, were determined. The ratio of the gap between the fibers and the diameter of the grain, at which chocking of the grain is possible, is established, from which it follows that the greater the friction coefficient µ1, the smaller this ratio is. Thus, for a friction coefficient of µ1=0.5, chocking of the grain is possible when the ratio of the gap to the diameter of the grain is from 0.75, and for µ1=0.3 – from 0.89. A prototype of a screw conveyor with the possibility of using different casing diameters and variable screw working bodies with elastic surfaces was designed and manufactured (with a continuous chamber­like part, with a peripheral elastic brush like part, with a brush­like screw part), and with the possibility of controlling the modes of the conveyor operation using a PC through the current frequency converter Altivar 71 with automatic visualization and fixation of the obtained results when studying the transportation performance and the degree of damage to the seed grain material after its movement in the ranges of the rotation frequency of the screw working body from 0 to 511.2 rpm, the inner diameter of the casing from 96 mm to 108 mm and the angle of the conveyor inclination from 0º to 30º. The results of experimental studies of three different types of screw working bodies with elastic surfaces are presented. For the screw conveyors with variable screw working bodies with elastic surfaces empirical equations for determining productivity and degree of seed grain materials damage during transportation are derived, which is based on the experimental results statistical processing with the help of application software. The following results were obtained. Productivity during transportation by a screw working body with an elastic continuous chamber­like part was: for barley, the maximum ­ 6.37 t/h, and the minimum ­ 3.98 t/h; for corn, the maximum is 6.67 t/h, and the minimum is 4.18 t/h. Increasing the rotation frequency of the screw working body n from 284 rpm. up to 511.2 rpm. leads to a 1.29 times increase in productivity. At the same time, an increase in the casing diameter from 96 mm to 108 mm provides a 1.11 times increase in productivity, and a change in the angle of inclination of the conveyor from 0 degrees to 30 degrees. leads to a decrease in productivity by 1.12 times. Productivity during transportation by a screw working body with a peripheral elastic brush­like part was: for barley, the maximum ­ 6.61 t/h, and the minimum ­ 3.49 t/h; for corn, the maximum ­ 6.92 t/h, and the minimum ­ 3.84 t/h. Increasing the rotation frequency of the screw working body n from 284 rpm. to the optimal rotation frequency leads to a productivity increase of 1.25 times for barley (from 430 to 440 rpm) and 1.22 times for corn (from 450 to 480 rpm). Productivity during transportation by a screw working body with a brush­like screw part was: for barley, the maximum ­ 4.37 t/h, and the minimum ­ 1.77 t/h; for corn, the maximum is 5.25 t/h, and the minimum is 2.56 t/h. Increasing the rotation frequency of the screw working body n from 284 rpm. up to 470...480 rpm. leads to a 1.25 times increase in productivity. At the same time, an increase in the casing diameter from 96 mm to 108 mm provides an increase in productivity by 1.36 times for barley and 1.29 times for corn, and a change in the inclination angle of the conveyor from 0 degrees to 30 degrees. leads to a 1.54 times decrease in productivity for barley and 1.36 times for corn. It was established that the maximum degree of damage to corn grain during transportation by screw working bodies with elastic continuous chamber­like parts was 0.26%, during transportation by screw working bodies with a peripheral elastic brush­like part ­ 0.25%, and during transportation by screw working bodies with a brush­like screw part ­ 0.24%. Damage to corn during its movement by augers with a solid chamber­like element and a peripheral elastic brush­like part is 4.06... 4.32 times lower, and when using an auger with a brush­like element, it is 4.5 times lower than when using conventional rigid augers. Increasing the rotation frequency of the screw working body n from 284 rpm. up to 511.2 rpm. leads to an increase in the degree of corn grain damage by 1.55 times. The developed designs of screw conveyors equipped with screw working bodies with elastic surfaces and other types of screw conveyors are protected by nine patents of Ukraine for useful models, and the screw conveyor with an elastic brush­like surface, manufactured on the basis of Ukrainian patent No. 150968, passed successful industrial tests in Country agricultural scientific and production farm "Koval". The annual economic effect from the use of the experimental sample amounted to 6,870 UAH.