Обгрунтування параметрів шнекового транспортера зернових матеріалів

Abstract

Карп І.В. «Обгрунтування параметрів шнекового транспортера зернових матеріалів». – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 133 Галузеве машинобудування. – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, м. Тернопіль, 2026 р. У дисертаційній роботі вирішено нове наукове завдання підвищення технологічної ефективності процесу післязбиральної доробки зернових матеріалів шляхом розробки конструкції та обгрунтування раціональних параметрів робочих органів шнекового транспортера. Підвищення ефективності процесу досягається шляхом застосування малогабаритного мобільного транспортного гвинтового механізму. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та наведено завдання дослідження для її реалізації. Описано наукову новизну, практичне значення отриманих результатів та наведено особистий внесок здобувача у проведених дослідженнях. Наведено відомості щодо апробації та опублікування результатів наукових досліджень, структуру та обсяг дисертаційного дослідження. Вирішення поставленої мети зведено до розв’язання таких науково- прикладних задач: - на основі проведеного аналізу відомих конструкцій гвинтових транспортних механізмів розробити конструктивну схему малогабаритного шнекового транспортера зернових матеріалів; - розробити математичні моделі, які функціонально описують процес переміщення зернового матеріалу в робочому просторі шнекового транспортера; - отримати аналітичні залежності для визначення продуктивності та витрат потужності шнекового процесу переміщення зерна робочими органами шнекового транспортера; - провести лабораторні експериментальні дослідження з визначення продуктивності, витрат потужності та пошкодження зерна пшениці в процесі його транспортування шнековим транспортером; - визначити економічну ефективність застосування шнекового транспортера у виробничих умовах. Об’єкт дослідження – технологічний процес роботи та робочі органи шнекового транспортера. Предмет дослідження – конструктивно-кінематичні параметри робочих органів і їх вплив на технологічні показники транспортування зернового матеріалу шнековим транспортером. На основі проведених наукових досліджень обґрунтовано основні раціональні параметри робочих органів малогабаритного шнекового транспортера для транспортування зернових матеріалів. На цій підставі: - вперше отримано: - аналітичну математичну модель, яка функціонально описує перехідний процес динамічного переміщення зернового матеріалу по робочих поверхнях гвинтового конвеєра шнекового транспортера, яку записано в параметричній формі; - математичну модель, яка описує функціональний характер кінетики руху елементарної маси зернового матеріалу в міжвитковому просторі гвинтового конвеєра та кожуха; - рівняння регресії, які характеризують пошкодження зерна пшениці робочими органами шнекового транспортера залежно від технологічних і конструктивних параметрів процесу; - уточнено емпіричні моделі продуктивності та витрат потужності процесу транспортування зерна пшениці шнековим транспортером з врахуванням змінного кроку спіральних витків гвинтового конвеєра. У першому розділі наведено аналіз процесів переміщення сипких матеріалів гвинтовими транспортними механізмами, конструкцій робочих органів шнекових транспортерів, проаналізовано відомі результати теоретично- експериментальних досліджень процесів транспортування зернових матеріалів гвинтовими конвеєрами та обгрунтовано вибір конструкції шнекового транспортера для проведення досліджень. Для реалізації незначного обсягу переміщення зернового матеріалу на зернових токах невеликих багатогалузевих фермерських господарств запропоновано удосконалену схему мобільного малогабаритного шнекового транспортера. Основними вузлами шнекового транспортера є рама, на якій встановлено електродвигун, кожух, який являє собою напрямну циліндричну трубу, всередині якого встановлено шнековий конвеєр зі змінним кроком спіральних витків, які змонтовано на барабані 9. Крок спіральних витків збільшується в сторону вихідної зони вивантаження матеріалу або вихідної горловини. Зверху кожуха встановлено завантажувальний бункер. Вихідна горловина шнекового конвеєра обладнана шибером. На вхідному валу шнека змонтовано запобіжну муфту та приводний шків клинопасової передачі. У другому розділі наведено: - аналітичні викладення функціонального процесу динамічного переміщення зернового матеріалу у просторі кожуха шнекового транспортера для двох випадків його руху: І-го випадку, за якого тіло елементарної маси зернового матеріалу переміщується тільки по робочій поверхні спірального витка; ІІ-го випадку, коли тіло елементарної маси зернового матеріалу одночасно переміщується по робочій поверхні спірального витка та внутрішній поверхні кожуха; - теоретичний аналіз кінетики руху тіла елементарної маси зернового матеріалу у робочому просторі шнекового транспортера на основі дослідження функціональної зміни кінетичної енергії процесу переміщення тіла у міжвитковому просторі гвинтового конвеєра та процесу співудару двох тіл у просторі кожуха; - розробку аналітичних залежностей, які описують функціональну зміну продуктивності та витрат потужності під час транспортування зернового матеріалу шнековим транспортером. За результатами теоретичного аналізу встановлено, що: - прискорення руху тіла елементарної маси зернового матеріалу по поверхні витка гвинтового конвеєра за зміни приросту кроку від 4 до 8 см змінюється в межах від 8,5 до 17,3 м/с2 для І-го випадку та від 6,3 до 15,52 м/с2 для II-го випадку, а за діаметра більшого за 0,2 м та кутової швидкості гвинтового конвеєра менше 10 рад/с тіло зернового матеріалу масою понад 0,1 кг втрачає контакт з поверхнею спірального витка; - кут відхилення тіла елементарної маси зернового матеріалу змінюється у діапазоні від 0 до 720, причому відхилення тіла в межах зміни кута від 450 до 720 залежно від збільшення діаметра та кроку гвинтового конвеєра має прямий характер, а в діапазоні від 0 до 450 – обернений характер; - сумарна кінетична енергія контактної взаємодії тіл елементарної маси зернового матеріалу збільшується в межах від 0,71 10-3 до 3,19 10-3 Дж залежно від збільшення маси тіла від 100 до 200 г та швидкості флуктуації від 1,0 до 1,5 м/с та в межах від 0,3 10-3 до 2,6 10-3 Дж – за збільшення коефіцієнта тертя від 0,4 до 0,8 та коефіцієнта відновлення від 0,3 до 0,9, а значні втрати енергії відбуваються під час транспортування тіла діаметром більшим за 2 мм, при цьому кінетична енергія стрімко зростає від 0,05 до 0,3 Дж за питомої маси зернового матеріалу більше 1300 кг/м3; - розраховані продуктивність і витрати потужності шнекового транспортера знаходяться в діапазоні, відповідно, від 3,0 до 76,5 (кг/хв) та від 22,0 до 232 Вт/хв в межах зміни діаметра від 0,15 до 0,25 м та частоти обертання від 100 до 300 об/хв за кроку спіральних витків гвинтового конвеєра 5, 10 і 15 см. У третьому розділі наведено програму, опис лабораторної експериментальної установки та методику проведення експериментальних досліджень шнекового транспортера зернових матеріалів. Програма проведення експериментальних досліджень процесу транспортування зерна пшениці шнековим транспортером передбачала: - спроектувати та виготовити макетний зразок розробленого шнекового транспортера зернових матеріалів; - для перевірки адекватності отриманої аналітичної моделі розробити емпіричну модель або емпіричне рівняння регресії, яке описує функціональні взаємозв’язки зміни продуктивності шнекового транспортера залежно від його основних конструктивно-кінематичних параметрів і вологості зернового матеріалу; - експериментально встановити характер і ступінь пошкодження зернового матеріалу в процесі його транспортування шнековим транспортером; - визначити витрати потужності під час транспортування зернового матеріалу шнековим транспортером залежно від параметрів процесу. В загальному для реалізації експериментів було розроблено структурну схему моделі проведення експериментальних досліджень на основі базових принципів поняття «чорної скрині». Для проведення експериментальних досліджень процесу транспортування зерна пшениці було застосовано лабораторну установку, основними базовими вузлами якої були електродвигун, шнековий транспортер, персональний комп’ютер і мультисистемний пристрій 9 Altivar 71 керування процесом роботи електродвигуна або, відповідно, шнекового транспортера. Для обгрунтування основних параметрів і режимів роботи шнекового транспортера провели експериментальні дослідження з визначення функціонального характеру зміни продуктивності, витрат потужності та пошкодження зерна пшениці в процесі його транспортування шнековим транспортером. В якості вхідних факторів було прийнято: площу вихідного отвору бункера, яку змінювали в межах від 10 до 40 см2; частоту обертання гвинтового конвеєра, яку змінювали в межах від 120 до 280 об/хв; вологість зерна, яку змінювали в межах від 12% до 18%; зазор між окрайкою витка гвинтового конвеєра та внутрішньою поверхнею кожуха, який змінювали в межах від 6 до 14 см. Експерименти провели для трьох кроків витків – 5, 8 та 11 см. Методика проведення експериментальних досліджень базувалася на основі наукових методів планування та реалізації планованих факторних експериментів з метою отримання рівнянь регресії параметра оптимізації. Обробку експериментального масиву даних проводили за загальновідомими методами розрахунку з використанням методик регресійного та кореляційного аналізу. У четвертому розділі наведено результати реалізації програми експериментальних досліджень. На основі обробки експериментального масиву даних отримано рівняння регресії, які описують функціональну зміну: - продуктивності шнекового конвеєра: - витрат потужності під час транспортування зерна пшениці шнековим транспортером; - пошкодження зерна пшениці. За результатами проведення експериментів і оброблення експериментального масиву даних встановлено, що: - апроксимовані значення продуктивності та витрат потужності шнекового транспортера за зміни значень вхідних факторів у межах площі вихідного отвору бункера від 10 до 40 см2, частоти обертання гвинтового конвеєра від 120 до 280 об/хв та вологості зерна пшениці від 12% до 18% знаходяться в діапазоні, відповідно: - за кроку витків 5 см, від 5 до 46 кг/хв та від 77,6 до 180 Вт/хв; - за кроку витків 8 см від 10 до 63 кг/хв та 107,8 до 220,6 Вт/хв; - за кроку витків 11 см від 20 до 75 кг/хв та від 97,5 до 231,5 Вт/хв; - апроксимовані значення пошкодження зерна пшениці робочими органами шнекового транспортера за зміни значень вхідних факторів у межах частоти обертання гвинтового конвеєра від 120 до 280 об/хв, вологості зерна пшениці від 12% до 18% та зазору між крайкою витка та внутрішньою поверхнею кожуха від 6 до 14 мм знаходяться в діапазоні від 0,5% до 4,0 %, при цьому: - за кроку витків 5 см – від 1,1% до 4,0 %; - за кроку 8 см – від 0,6% до 2,6 %; за кроку 11,0 см – від 0,5% до 2,3%. Розбіжність теоретичних і експериментальних значень продуктивності та витрат потужності становить 5%-15%; За результатами дослідження рекомендовано такі раціональні значення основних параметрів шнекового транспортера, які забезпечують продуктивність шнекового транспортера в межах 60…75 кг/хв за витрат потужності 100…230 Вт/хв: - площа вихідного отвору бункера 40 см2; - зовнішній діаметр гвинтового конвеєра 0,2 м; - частота обертання гвинтового конвеєра 250…300 об/хв; - зазор між крайкою витка та зовнішньою поверхнею кожуха 8,0 см Річний економічний ефект, який досягнуто за рахунок підвищення технологічної ефективності післязбиральної доробки зернових матеріалів шнековим транспортером становить 2,77 грн/кг. Отримані результати впроваджено у виробничий процес фермерського господарства «Княже поле» (Рівненська область, с. Межиріч) та застосовуються у навчальному процесі кафедри конструювання верстатів, інструментів та машин ТНТУ ім. І. Пулюя під час вивчення дисципліни «Обладнання та транспортні засоби машинобудівних виробництв» для підготовки фахівців освітнього рівня бакалавр за спеціальністю 133 Галузеве машинобудування.

Karp I.V. «Justification of the parameters of a screw conveyor for grain materials». – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 13 Mechanical Engineering in the specialty 133 Industrial Mechanical Engineering. – Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2026. The dissertation addresses a novel scientific problem of improving the technological efficiency of post-harvest handling of grain materials through the development of a screw conveyor design and the justification of rational parameters of its working elements. The improvement in process efficiency is achieved by implementing a compact mobile screw conveying mechanism. The introduction substantiates the relevance of the research topic, formulates the aim of the study, and defines the research objectives required for its achievement. The scientific novelty, practical significance of the obtained results, and the author’s personal contribution are presented. Information on the approbation and publication of research results, as well as the structure and scope of the dissertation, is provided. The achievement of the research objective is reduced to solving the following applied scientific tasks: ξ to develop a structural layout of a compact screw conveyor for grain materials based on an analysis of existing screw conveying mechanisms; ξ to develop mathematical models that functionally describe the process of grain material movement within the working space of the screw conveyor; ξ to obtain analytical relationships for determining the conveying capacity and power consumption of the screw conveying process; ξ to conduct laboratory experimental studies to determine conveying capacity, power consumption, and wheat grain damage during transportation by a screw conveyor; ξ to assess the economic efficiency of screw conveyor application under production conditions. The object of the study is the technological process and working elements of the screw conveyor. The subject of the study is the design and kinematic parameters of the working elements and their influence on the technological performance of grain transportation by a screw conveyor. Based on the conducted research, rational parameters of the working elements of a compact screw conveyor for grain transportation have been substantiated. For the first time, the following results were obtained: ξ an analytical model of the dynamic process of grain material movement along the working surfaces of a screw conveyor; ξ a mathematical model describing the functional characteristics of the kinematics of an elementary mass of grain material in the inter-flight space between the screw conveyor and the casing; ξ regression equations characterizing wheat grain damage as a function of technological and design parameters of the screw conveying process; ξ refined empirical models of conveying capacity and power consumption of wheat grain transportation by a screw conveyor, taking into account a variable pitch of the screw flights. Chapter 1 presents an analysis of bulk material conveying processes using screw mechanisms, designs of screw conveyor working elements, and known theoretical and experimental research results on grain transportation by screw conveyors. The selection of the screw conveyor design for experimental investigations is substantiated. To handle relatively small volumes of grain at grain handling facilities of small multi-profile farms, an improved layout of a mobile compact screw conveyor is proposed. The main units of the conveyor include a frame with an electric motor, a cylindrical casing acting as a guide tube, and a screw conveyor with variable-pitch flights mounted on a drum. The pitch of the screw flights increases toward the discharge zone. A feed hopper is installed above the casing, and the discharge outlet is equipped with a slide gate. A safety clutch and belt drive pulley are mounted on the screw input shaft. Chapter 2 presents: ξ analytical descriptions of the functional process of dynamic grain movement inside the screw conveyor casing for two cases: ξ movement of the elementary grain mass only along the screw flight surface; ξ simultaneous movement along the screw flight surface and the inner surface of the casing; ξ a theoretical analysis of grain motion kinematics based on variations in kinetic energy within the inter-flight space and impact interactions inside the casing; ξ analytical dependencies describing the functional variation of conveying capacity and power consumption during grain transportation. Theoretical analysis established that: ξ acceleration of grain movement along the screw flight surface varies from 8.5 to 17.3 m/s² for case I and from 6.3 to 15.52 m/s² for case II when the pitch increment changes from 4 to 8 cm; at a screw diameter exceeding 0.2 m and angular velocity below 10 rad/s, grain particles with mass above 0.1 kg lose contact with the flight surface; ξ the angular deviation of the elementary grain mass varies from 0 to 72°, exhibiting direct dependence on diameter and pitch increase in the range 45–72°, and inverse dependence in the range 0–45°; ξ the total kinetic energy of contact interaction increases from 0.71×10⁻³ to 3.19×10⁻³ J with increasing particle mass and velocity fluctuation, and significant energy losses occur when transporting particles larger than 2 mm; ξ calculated conveying capacity and power consumption range from 3.0 to 76.5 kg/min and from 22.0 to 232 W, respectively, for screw diameters of 0.15–0.25 m and rotational speeds of 100–300 rpm with screw pitches of 5, 10, and 15 cm. Chapter 3 describes the experimental program, laboratory test rig, and methodology of experimental investigations. A prototype of the developed screw conveyor was designed and manufactured. Empirical regression models were developed to verify the adequacy of the analytical model. Experimental studies determined grain damage and power consumption as functions of operating parameters. The experiments were designed using factorial experimental planning methods. Data processing was carried out using regression and correlation analysis techniques. Chapter 4 presents the experimental results. Regression equations describing conveying capacity, power consumption, and wheat grain damage were obtained. The discrepancy between theoretical and experimental results was within 5–15%. Recommended rational parameters ensuring a conveying capacity of 60–75 kg/min at power consumption of 100–230 W include: ξ hopper outlet area: 40 cm²; ξ screw outer diameter: 0.2 m; ξ screw rotational speed: 250–300 rpm; ξ clearance between flight edge and casing: 8,0 сm. The annual economic effect achieved through improved technological efficiency of post-harvest grain handling amounts to 2.77 uah/kg. The results obtained were implemented in the production process of the farm "Knyazhe Pole" (Rivne region, village of Mezhyrich) and used in the educational process of the Department of Design of Machine Tools, Instruments and Machines of the I. Pulyuy National Technical University during the study of the discipline "Equipment and Vehicles of Machine-Building Industries" for the training of specialists with a bachelor's degree in specialty 133 Industrial Mechanical Engineering.