Обгрунтування параметрів багатофункціонального гвинтового конвеєра для транспортування та змішування сипких матеріалів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 «Галузеве машинобудування». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2023. У дисертації виконано теоретичне та експериментальне нове вирішення наукової задачі шляхом проектування і обґрунтування параметрів гвинтових багатофункціональних конвеєрів із розробленням теоретичних передумов, конструктивного і технологічного устаткування, що забезпечує підвищення ефективності транспортування та змішування сипких матеріалів. На основі структурного морфологічного синтезу і механіко- математичних методів моделювання розроблено багатоваріантні структури конструктивних та функціональних можливостей реалізації процесів з розширенням їх технологічних та конструктивних множини в результаті синтезу із генеруванням можливих альтернатив для кожного із трьох ієрархічних рівнів. На основі системного підходу до дослідження технологічних процесів багатофункціонального гвинтового конвеєра для транспортування та змішування сипких матеріалів у роботі отримано такі наукові результати: − набули подальший розвиток аналітичні залежності, які визначають кінематичні параметри процесу переміщення вантажу гвинтовим багатофункціональним конвеєром, за яких покращуються умови змішування сипких матеріалів; - вперше досліджено кінематику сипкого вантажу у багатофункціональному гвинтовому конвеєрі з конусоподібним гвинтовим робочим органом, отримано параметричні рівняння траєкторії, швидкості та прискорення руху вантажу, які дозволяють визначати інтенсивність переміщення матеріалу та продуктивність роботи конвеєра; - вперше розроблено динамічну модель шнекового робочого органу багатофункціонального транспортера з встановленням визначальних параметрів коливального процесу залежно від зовнішніх та внутрішніх чинників, що описуються законами зміни основних параметрів робочого органу під час проходження через головний резонанс системи; - отримали подальший розвиток аналітичні дослідження крутильних коливань гвинтового робочого органу шнекового багатофункціонального конвеєра із урахуванням динаміки суцільного потоку середовища, що транспортується з визначальними параметрами його коливань для нерезонансного та резонансного випадку; - вперше встановлено емпіричні закономірності впливу конструктивних параметрів та режимів роботи багатофункціонального гвинтового конвеєра на його продуктивність, витрати потужності і неоднорідність змішування при транспортуванні та змішуванні сипких матеріалів. Приведено методику розрахунку похилих середньошвидкохідних гвинтових конвеєрів, які в граничних режимах призводять до інтенсивного перемішування вантажу і працюють як ефективні змішувачі. Виведені залежності для визначення кінематичних та експлуатаційних параметрів, що забезпечують стабільну роботу таких змішувачів. Теоретично обґрунтовано технологічний процес транспортування і змішування сипких матеріалів конусоподібним гвинтовим конвеєром. Виведено аналітичні залежності для визначення зміни зовнішнього радіуса шнека та внутрішнього радіуса кожуха, при якій початковий радіус шнека зростає на величину на кожному наступному витку. Встановлено, що приріст радіуса переміщення вантажу на одному витку конусоподібного гвинтового конвеєра суттєво впливає на збільшення швидкості вантажу, що сприяє інтенсифікації процесу змішування. Зокрема при збільшенні приросту радіуса переміщення вантажу на одному витку від 1 мм до 5 мм призводить до зростання швидкості вантажу від 1,28 рази до 2,44 рази. Розроблено математична модель динаміки процесу багатофункціонального конвеєра, отримано аналітичні залежності, які були базовими для визначення закону зміни визначальних параметрів коливального процесу залежно від зовнішніх та внутрішніх чинників системи. На основі аналітичних залежностей отримано, що: - амплітуда переходу через головний резонанс для більших значень швидкостей відносного руху оброблювального середовища є більшою. Збільшення відносної швидкості від 2 до 5м/с при спричиняє збільшення амплітуди переходу через головний резонанс на 17%; - збільшення погонної маси оброблювального середовища за незмінної відносної швидкості його руху спричиняє збільшення амплітуди переходу через резонанс. Збільшення погонної маси від 25 кг/м до 40 кг/м при відносній швидкості його руху 4м/с спричиняє збільшення амплітуди переходу через резонанс на 61%. Розроблена методика дослідження крутильних коливань гвинтового робочого шнекового транспортера із урахуванням його поперечних коливань та руху вздовж нього суцільного потоку оброблювального середовища при цьому встановлено: • стала кутова швидкість обертання гвинтового робочого органу зменшує частоту власних згинних коливань гвинтового робочого органу; • відносне переміщення оброблювального середовища вздовж гвинтового робочого органу, який обертається і здійснює поперечні коливання спричиняє додаткову дією на останній у вигляді періодичного крутного моменту; • амплітуда переходу через резонанс на основній частоті згинних коливань приймає менше значення для гвинтових робочих органів із більшою жорсткістю на кручення. Розроблено і виготовлено стендове обладнання для дослідження продуктивності транспортування та змішування сипких матеріалів, а також характеристик гвинтових конвеєрів в широкому діапазоні частоти обертання, при плавному та різкому пуску, зміні частоти обертання і реверсуванні в процесі досліджень в автоматизованому режимі за допомогою перетворювача частоти серії Altivar 71 та універсальної вимірювальної системи з акселерометрами для визначення динамічних навантажень з отриманням відповідних даних у ПК. Встановлено, що при збільшенні кута нахилу твірної конусної поверхні шнека, частоти обертання шнека та зменшенні величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку максимальна продуктивність під час транспортування пшениці складала 9,44 т/год., а мінімальна – 3,8 т/год. Збільшення частоти обертання конусного шнека від 200 об/хв. до 500 об/хв. призводить до зростання продуктивності в 2 рази. При цьому збільшення кута нахилу твірної конусної поверхні шнека від 1 град до 2 град забезпечує зростання продуктивності в 1,18 рази, а зміна величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку від 0,004 м до 0,01 м призводить до спадання продуктивності в 1,07 рази. За результатами досліджень встановлено, що максимальна продуктивність під час транспортування пшениці складала 4,7 т/год., а мінімальна – 0,35 т/год. Із збільшенням частоти обертання гофрованого конусного шнека від 70 об/хв. до 270 об/хв. призводить до зростання продуктивності транспортування в 3,36 рази. При цьому збільшення висоти гофр на зовнішньому діаметрі шнека від 0,004 м до 0,012 м забезпечує зменшення продуктивності в 2,55 рази, а зміна величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку від 0,004 м до 0,01 м призводить до спадання продуктивності в 1,19 рази. Визначено, що при збільшенні кута нахилу твірної конусної поверхні шнека, частоти обертання шнека та зменшенні величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку потужність на приводі шнека під час транспортування пшениці складала 0,37 кВт, а мінімальна – 0,11 кВт. Збільшення частоти обертання конусного шнека від 200 об/хв. до 500 об/хв. призводить до зростання потужності на приводі в 2,5 рази. При цьому збільшення кута нахилу твірної конусної поверхні шнека від 1 град до 2 град забезпечує зростання потужності на приводі в 1,17 рази, а зміна величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку від 0,004 м до 0,01 м призводить до спадання потужності на приводі в 1,18 рази. Досліджено, що при збільшенні величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку, кута нахилу твірної конусної поверхні шнека та зменшенні частоти обертання шнека максимальна величина коефіцієнта неоднорідності змішування склала 11,8 %, а мінімальна – 9,4 %. Збільшення частоти обертання конусного шнека від 200 об/хв. до 500 об/хв. призводить до зростання коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,07 рази. При цьому збільшення кута нахилу твірної конусної поверхні шнека від 1 град до 2 град забезпечує зменшення коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,12 рази, а зміна величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку від 0,004 м до 0,01 м призводить до спадання коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,04 рази. Коефіцієнт неоднорідності змішування звичайним конусним шнеком є в 1,38 рази вищим ніж коефіцієнт неоднорідності змішування гофрованим конусним шнеком в межах досліджуваних частот обертання шнеків від 200 об/хв до 270 об/хв, поряд з цим продуктивність звичайного конусного шнеком є вищою 1,53 рази. Проведено моделювання багатофункціонального гвинтового конвеєра оснащеного гвинтовим конічним робочим органом, яке показало, що максимальні напруження спостерігаються на вихідному кінці конічного шнека та становлять приблизно 34,5 МПа, а максимальні загальні переміщення - 0,27 мм. Встановлено що максимальні переміщення вздовж осі становлять 0,15 мм і спостерігаються у середній частині спірального шнека, де радіус спіралі становить 200 мм і цьому відповідає кут закручування φ=0,04 рад. Приведено візуалізація розрахунку протуктивності залежно від кроку шнека на кожному послідовному витку, кута нахилу твірної конусної поверхні шнека, частоти обертання шнека та висоти гофр на зовнішньому діаметрі шнека та розроблено алгоритм математичної моделі, який дозволяє краще зрозуміти процес транспортування та змішування сипких матеріалів для кожної відповідної комбінації вхідних параметрів з використанням технології LINQ. Наведено перспективні конструкції гвинтових транспортних механізмів з розширеними технологічними можливостями та їх дослідження, на основі яких отримано 9 патентів України на корисні моделі. Річний економічний ефект від використання багатофункціонального гвинтового конвеєра оснащеного гвинтовим робочим органом, виготовленим із заготовок одержаних методами навивання, становить 18889 грн.

The dissertation presents a theoretical and experimental approach to solving a scientific problem through the design and justification of parameters for screw conveyors with multifunctional capabilities, aiming to enhance the efficiency of conveying and mixing bulk materials. Using structural morphological synthesis and mechanical-mathematical modeling methods, various structural and functional configurations were developed, expanding their technological and constructive possibilities. This synthesis process generated multiple alternatives for each of the three hierarchical levels. Applying a systemic approach to the study of technological processes involving multifunctional screw conveyors for conveying and mixing bulk materials, the following scientific results were achieved: − analytical dependencies were further developed to determine the kinematic parameters of cargo movement by a multifunctional screw conveyor, leading to improved conditions for mixing bulk materials; - for the first time, the kinematics of loose cargo within a multifunctional screw conveyor with a cone-shaped screw working element were investigated. Parametric equations for trajectory, velocity, and acceleration of cargo movement were obtained, enabling the determination of material displacement intensity and conveyor productivity; - for the first time, a dynamic model of the screw working element of a multifunctional conveyor was developed, establishing key parameters of oscillatory processes influenced by external and internal factors. These parameters describe the changes in the main working element parameters during passage through the system's main resonance; - further analytical studies were conducted on torsional vibrations of the screw working element in the multifunctional screw conveyor, accounting for the dynamics of the continuous transported medium. This study included defining the parameters of its vibrations for both non-resonant and resonant cases; - for the first time, some empirical regularities were identified for the influence of structural parameters and operational modes of the multifunctional screw conveyor on its productivity, power consumption, and the uniformity of mixing during conveying and mixing bulk materials. A methodology for calculating inclined medium-speed screw conveyors is presented, which, in extreme conditions, lead to intensive cargo mixing and function effectively as mixers. Dependencies are derived to determine the kinematic and operational parameters that ensure stable operation of such mixers. The technological process of conveying and mixing bulk materials using a cone-shaped screw conveyor is theoretically substantiated. Analytical relationships are derived to determine the change in the external radius of the screw, denoted as R, and the internal radius of the casing. These relationships describe how the initial screw radius, increases by an amount with each successive turn. It has been found, that the increment in the displacement radius of the cargo in one turn of the cone-shaped screw conveyor significantly influences the increase in cargo velocity, thereby enhancing the mixing process. Specifically, increasing the increment of the cargo displacement radius per turn from 1 mm to 5 mm results in a velocity increase ranging from 1.28 times to 2.44 times. A mathematical model of the dynamics of a multifunctional conveyor has been developed, and analytical relationships have been obtained as the foundation for determining the law of change in defining parameters of the oscillatory process depending on external and internal factors of the system. Based on these analytical relationships, the following conclusions have been drawn: - the amplitude of transition through the main resonance is greater for higher values of relative motion speeds of the processed medium. Increasing the relative speed from 2 to 5 m/s results in a 17% increase in the amplitude of transition through the main resonance; - increasing the linear mass density of the processing medium while keeping the relative speed of its motion unchanged leads to an increase in the amplitude of transition through resonance. Increasing the linear mass density from 25 kg/m to 40 kg/m at a relative speed of 4 m/s causes a 61% increase in the amplitude of resonance transition. A methodology for studying torsional vibrations of screw conveyors with consideration for their lateral oscillations and the motion of the continuous processing medium along them has been developed. The following conclusions have been drawn: ➢ a constant angular rotation speed of the screw working element reduces the frequency of its natural bending vibrations; ➢ the relative displacement of the processing medium along the rotating screw, which also undergoes lateral oscillations, exerts an additional influence on it in the form of periodic torque; ➢ the amplitude of resonance transition at the fundamental frequency of bending vibrations is smaller for screw working elements with higher torsional stiffness. A test setup has been designed and manufactured to investigate the productivity of conveying and mixing bulk materials, as well as the mechanical characteristics of screw conveyors over a wide range of rotational frequencies, including smooth and rapid starts, changes in rotational frequency, and reversals, all in an automated mode using the ALTIVAR 71 series variable frequency drive and a universal measurement system with accelerometers for determining dynamic loads and obtaining corresponding data on a PC. It has been determined that increasing the inclination angle of the forming cone surface of the screw, the screw rotation frequency, and decreasing the increment of the screw pitch at each successive turn result in a maximum productivity during wheat conveying of 9.44 t/h and a minimum of 3.8 t/h. Increasing the rotation frequency of the conical screw α from 200 rpm to 500 rpm leads to a doubling of productivity. Moreover, increasing the inclination angle of the forming cone surface from 1 degree to 2 degrees provides a 1.18-fold increase in productivity, and varying the increment of the screw pitch from 0.004 m to 0.01 m per turn results in a 1.07- fold decrease in productivity. Based on the research results, it was determined that the maximum productivity during wheat conveying was 4.7 t/h, while the minimum was 0.35 t/h. Increasing the rotation frequency of the corrugated conical screw from 70 rpm to 270 rpm, leads to a 3.36-fold increase in conveying productivity. Additionally, increasing the height of the corrugations on the external diameter of the screw from 0.004 m to 0.012 m, results in a 2.55-fold decrease in productivity, and changing the increment of the screw pitch per turn from 0.004 m to 0.01 m, leads to a 1.19-fold decrease in productivity. It was determined that increasing the inclination angle of the forming cone surface of the screw, the screw rotation frequency, and decreasing the increment of the screw pitch per turn, the power at the screw drive during wheat conveying was 0.37 kW, while the minimum was 0.11 kW. Increasing the rotation frequency of the conical screw, from 200 rpm to 500 rpm, results in a 2.5-fold increase in power at the drive. Furthermore, increasing the inclination angle of the forming cone surface, α, from 1 degree to 2 degrees, provides a 1.17-fold increase in power at the drive, and changing the increment of the screw pitch per turn, from 0.004 m to 0.01 m, leads to a 1.18-fold decrease in power at the drive. The investigation revealed that by increasing the increment of the screw pitch per turn, the inclination angle of the forming cone surface of the screw, and decreasing the rotation frequency of the screw, the coefficient of mixing nonuniformity ranges from 11.8% to a minimum of 9.4%. Increasing the rotation frequency of the conical screw, from 200 rpm to 500 rpm, results in a 1.07-fold increase in the coefficient of mixing non-uniformity. Moreover, increasing the inclination angle of the forming cone surface, α, from 1 degree to 2 degrees, leads to a 1.12-fold decrease in the coefficient of mixing non-uniformity, and changing the increment of the screw pitch per turn, from 0.004 m to 0.01 m, results in a 1.04-fold decrease in the coefficient of mixing non-uniformity. The mixing non-uniformity coefficient for a regular conical screw is 1.38 times higher than the mixing non-uniformity coefficient for a corrugated conical screw within the investigated rotational frequency range of the screws, from 200 rpm to 270 rpm. Moreover, the productivity of the regular conical screw is 1.53 times higher. Modeling was carried out for a multifunctional screw conveyor equipped with a conical screw working element. The results showed that the maximum stresses are observed at the outlet end of the conical screw, reaching ≈ 34.5 MPa, and the maximum total displacements are 0.27 mm. It was found that the maximum displacements along the Z-axis are 0.15 mm and occur in the middle part of the spiral screw, where the spiral radius is 200 mm, corresponding to a helix angle φ=0.04. Visualization of the productivity calculation is provided, considering the increment of the screw pitch per turn, the inclination angle of the forming cone surface, the rotation frequency of the screw, and the height of the corrugations on the external diameter of the screw. An algorithm for a mathematical model has been developed, enabling a better understanding of the process of conveying and mixing bulk materials for each corresponding combination of input parameters using LINQ technology. Some promising designs of screw transport mechanisms with expanded technological capabilities have been presented, along with their research, which resulted in 9 patents for utility models in Ukraine. The annual economic benefit from using the multifunctional screw conveyor equipped with a screw working element manufactured from blanks obtained by winding methods amounts to 18,889 UAH.