Обґрунтування параметрів шнекових змішувачів з регульованою подачею

Abstract

Коваль С.О. Обґрунтування параметрів шнекових змішувачів з регульованою подачею. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 «Галузеве машинобудування». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2026. У дисертаційній роботі шляхом виконання теоретичного обґрунтування та експериментального дослідження здійснено вирішення наукового завдання, яке полягає у підвищенні однорідності змішування сумішей гвинтовими транспортнотехнологічними змішувачами за рахунок збільшення інтенсивності перемішування при незначних довжинах шнекової магістралі за рахунок тертя матеріалів з обертовими гвинтовим робочим органом та кожухом, шляхом розроблення і дослідження шнекових змішувачів з обертовим кожухом з регульованою подачею та вибором їх раціональних конструктивних параметрів та режимів роботи. На основі проведеного аналізу потоку суміші в гвинтових конвеєрах змішувачах при перехідних режимах показано, що транспортування суміші проходить із осьовою та коловою швидкостями з відривом від кожуха у верхній його частині, а на дузі піднімання утворюється динамічне тіло волочіння із стаціонарним осьовим рухом. Встановлено, що основним фактором, що впливає на колове переміщення суміші є обертовий рух кожуха, а обертанням гвинта забезпечується її осьове переміщення. За результатами розв’язку диференціальних рівнянь руху потоку вантажу, визначено кінематичні та динамічні параметри транспортування суміші, зокрема осьові та колові складові швидкості потоку частинок суміші, а також продуктивність конвеєразмішувача та його потужність і значення моментів приводу робочих органів. Показано, що рух динамічного тіла волочіння можна привести до руху частинки з приведеними параметрами. В результаті проведених теоретичних досліджень встановлено, що згладжувальна здатність похилого гвинтового конвеєразмішувача оптимізується при ймовірності просипання суміші через вал 5, 0 = р та зростає із ростом кількості комірок, тобто із збільшенням довжини конвеєразмішцувача L , зменшенням кроку гвинта Т та різниці між кутовими швидкостями гвинта та кожуха 2 1  −  , при раціональному значенні кутової швидкості кожуха 2 . В роботі представлено програму і методику проведення експериментальних досліджень розробленого і виготовленого зразка шнекового конвеєра з регульованою подачею матеріалу у зоні завантаження із бункера та з обертовим рухом кожуха в напрямку обертання шнека для одночасного змішування та транспортування матеріалів. Проведено статистичне оброблення результатів повнофакторних експериментів з виведенням емпіричних рівнянь регресії, що дають можливість прогнозувати потужність приводу обертання шнека, потужність приводу обертання кожуха, продуктивність шнекового змішувача та коефіцієнта неоднорідності змішування при комбінації різних сипких матеріалів від зміни трьох основних факторів: частоти обертання шнека n1, частоти обертання кожуха n2, кута нахилу α шнекового змішувача. Встановлено, що при зменшенні частоти обертання шнека, збільшенні частоти обертання кожуха в іншому напрямку і кута нахилу змішувача величина коефіцієнта неоднорідності змішування трьохкомпонентної та двохкомпонентних сумішей зменшується. Збільшення частоти обертання шнека n1 від 250 об/хв. до 350 об/хв. призводить до зростання коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,07…1,15 разів. Збільшення частоти обертання кожуха n2 від 100 об/хв. до 200 об/хв. забезпечує зменшення коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,2…1,22 рази. Зміна кута нахилу α шнека від 0 град. до 30 град. сприяє зменшенню коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,11...1,14 рази. Загалом коефіцієнт неоднорідності змішування двохкомпонентної суміші шнековим змішувачем з обертовим кожухом є в 1,64 рази меншим ніж при змішуванні класичним гвинтовим конвеєром із спіральним шнеком в межах досліджуваних частот його обертання від в межах осліджуваних частот його обертання від 250250 об/хв. до 350 350 об/хв. Визначено, що при збільшенні частоти обертання шнека, частоти обертання кожуха і кута нахилу шнекового змішувача величина потужності приводу обертання шнека при транспортуванні та змішуванні комбінації різних сипких матеріалів збільшується. Значення потужності приводу обертання шнека при транспортуванні та змішуванні трьохкомпонентної суміші коливалось в межах 0,078 кВт… 0,164 кВт, а для двохкомпонентних сумішей від 0,087 кВт 0,189 кВт. Збільшення частоти обертання шнека n1 від 250 об/хв. до 350 об/хв. призводить до зростання потужності приводу обертання шнека в 1,4 рази. При цьому збільшення частоти обертання кожуха n2 від 100 об/хв. до 200 об/хв. призводить до збільшеня потужності приводу обертання шнека в 1,28 рази, а зміна кута нахилу α шнекового змішувача від 0 град. до 30 град. сприяє збільшенню потужності приводу обертання шнека в 1,23 рази. Встановлено, що при збільшенні частоти обертання шнека, частоти обертання кожуха і кута нахилу шнекового змішувача величина потужності приводу обертання кожуха при транспортуванні та змішуванні комбінації різних сипких матеріалів збільшується. Потужність приводу обертання кожуха при транспортуванні та змішуванні трьохкомпонентної суміші змінювалась від 0,017 кВт до 0,045 кВт, а для двохкомпонентних сумішей ці значення коливались в межах 0,019 кВт… 0,052 кВт. Збільшення частоти обертання шнека n1 від 250 об/хв. до 350 об/хв. призводить до зростання потужності приводу обертання кожуха в 1,16 рази. Збільшення частоти обертання кожуха n2 від 100 об/хв. до 200 об/хв. призводить до збільшення потужності приводу обертання кожуха в 2 рази, Зміна кута нахилу α шнекового змішувача від 0 град. до 30 град. сприяє збільшенню потужності приводу обертання кожуха в 1,18 рази. Визначено, що при збільшенні частоти обертання шнека, зменшенні частоти обертання кожуха і кута нахилу шнекового змішувача величина продуктивності транспортування та змішування комбінації різних сипких матеріалів шнековим змішувачем зростає. При транспортуванні та змішуванні трьохкомпонентної суміші вона коливалось в межах від 0,56 т/год. до 3,78 т/год,, а для двохкомпонентної суміші в межах від 0,62 т/год. до 4,37 т/год. Збільшення частоти обертання шнека n1 від 250 об/хв. до 350 об/хв. призводить до зростання продуктивності шнекового змішувача в 1,85 рази. Збільшення частоти обертання кожуха n2 від 100 об/хв. до 200 об/хв. призводить до зменшення продуктивності шнекового змішувача в 1,58 рази, а зміна кута нахилу α шнекового змішувача від 0 град. до 30 град. призводить до зменшення продуктивності шнекового змішувача в 1,38 рази. Виконано структурний синтез гвинтових конвеєрівзмішувачів з обертовими кожухами за допомогою морфологічного аналізу і отримано нові конструкції гвинтових робочих органів змішувачів та конвеєрівзмішувачів з обертовими кожухами. Розроблені конструкції гвинтових конвеєрівзмішувачів з обертовими кожухами, шнеків для змішування та способів їх виготовлення захищені дев’ятьма патентами України на корисні моделі. У ТОВ «Сіефджі Трейдинг» Компанії «Контінентал Фармерз Груп» (м. Тернопіль) і ФГ «КРОК ВПЕРЕД 2019» (Тернопільська обл., с. Трибухівці) підтверджено ефективність виконання технологічного процесу змішування сумішей із застосуванням гвинтових конвеєрівзмішувачів з обертовими кожухами, розроблених на основі патентів України № 154380 і № 154547. Конструкції шнеків для змішування, які виготовлені на основі патентів України № 153687 і № 153774, використовувались при виготовленні змішувальних апаратів у ФГ «ДАРИ ДОЛИНИ» (Тернопільська обл., смт. Гусятин) і ПП «Хлопівецьке» (Тернопільська обл., м. Копичинці). Економічний ефект від впровадження і використання технічних засобів, розроблених на основі зазначених патентів, склав 534000 грн.

Koval S.O. Justification of the parameters of screw mixers with regulated feed. – Qualification scientific work on the rights of manuscripts. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 133 «Industrial Mechanical Engineering». – Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2026. In the dissertation, the scientific problem of improving the mixing homogeneity of mixtures in screw conveyor–technological mixers is solved through theoretical substantiation and experimental investigation. The proposed approach is based on increasing the mixing intensity over relatively short screw conveyor lengths by enhancing material friction with the rotating screw working body and the casing. This is achieved through the development and investigation of screw mixers with a rotating casing, adjustable feed rate, and the determination of their rational design parameters and operating modes. Based on the analysis of mixture flow in screw conveyor mixers under transient operating conditions, it is shown that the transportation of the mixture occurs with both axial and circumferential velocity components, accompanied by detachment from the casing in its upper part. Along the lifting arc, a dynamic dragging body with steady axial motion is formed. It has been established that the primary factor influencing the circumferential movement of the mixture is the rotational motion of the casing, whereas the axial movement is ensured by the rotation of the screw. As a result of solving the differential equations of motion of the bulk material flow, the kinematic and dynamic parameters of mixture transportation were determined, including the axial and circumferential components of the particle flow velocity, as well as the capacity of the conveyormixer, its power consumption, and the torque values of the drives of the working bodies. It is shown that the motion of the dynamic dragging body can be reduced to the motion of a particle with equivalent parameters. As a result of the conducted theoretical studies, it was established that the smoothing (equalizing) capability of an inclined screw conveyor–mixer is optimized at a certain probability of mixture leakage through the shaft and increases with an increase in the number of cells, i.e., with an increase in the length of the conveyor–mixer, a decrease in the screw pitch, and a reduction in the difference between the angular velocities of the screw and the casing, provided that a rational value of the casing angular velocity is selected. The dissertation presents a program and methodology for conducting experimental studies of the developed and manufactured prototype of a screw conveyor with adjustable material feed in the loading zone from a hopper and with a rotating casing in the direction of screw rotation, intended for simultaneous mixing and conveying of bulk materials. Statistical processing of the results of fullfactorial experiments was carried out, resulting in empirical regression equations that make it possible to predict the power of the screw drive, the power of the casing drive, the capacity of the screw mixer, and the mixing nonuniformity coefficient when combining various bulk materials, depending on variations in three main factors: the screw rotational speed n1, the casing rotational speed n2, and the inclination angle α of the screw mixer. It was established that a decrease in the screw rotational speed, an increase in the casing rotational speed in the opposite direction, and an increase in the inclination angle of the mixer lead to a reduction in the mixing nonuniformity coefficient for both threecomponent and twocomponent mixtures. An increase in the screw rotational speed n1 from 250 rpm to 350 rpm results in an increase in the mixing nonuniformity coefficient by a factor of 1.07–1.15. Increasing the casing rotational speed n2 from 100 rpm to 200 rpm ensures a decrease in the mixing nonuniformity coefficient by a factor of 1.20–1.22. Changing the screw inclination angle α from 0° to 30° contributes to a reduction in the mixing nonuniformity coefficient by a factor of 1.11–1.14. Overall, the mixing nonuniformity coefficient of a twocomponent mixture mixed by a screw mixer with a rotating casing is 1.64 times lower than that obtained using a conventional screw conveyor with a helical screw within the investigated screw rotational speed range of 250–350 rpm. It was determined that an increase in the screw rotational speed, the casing rotational speed, and the inclination angle of the screw mixer leads to an increase in the power required for the screw drive during the conveying and mixing of combinations of various bulk materials. The screw drive power during the transportation and mixing of a threecomponent mixture ranged from 0.078 kW to 0.164 kW, while for twocomponent mixtures it varied from 0.087 kW to 0.189 kW. An increase in the screw rotational speed n1 from 250 rpm to 350 rpm results in a 1.4fold increase in the screw drive power. At the same time, an increase in the casing rotational speed n2 from 100 rpm to 200 rpm leads to a 1.28fold increase in the screw drive power, whereas a change in the inclination angle α of the screw mixer from 0° to 30° contributes to a 1.23fold increase in the screw drive power. It was also established that an increase in the screw rotational speed, the casing rotational speed, and the inclination angle of the screw mixer causes an increase in the power required for the casing drive during the conveying and mixing of combinations of various bulk materials. The casing drive power during the transportation and mixing of a threecomponent mixture varied from 0.017 kW to 0.045 kW, while for twocomponent mixtures these values ranged from 0.019 kW to 0.052 kW. An increase in the screw rotational speed n1 from 250 rpm to 350 rpm results in a 1.16fold increase in the casing drive power. Increasing the casing rotational speed n2 from 100 rpm to 200 rpm leads to a twofold increase in the casing drive power, whereas changing the inclination angle α of the screw mixer from 0° to 30° contributes to a 1.18fold increase in the casing drive power. It was determined that an increase in the screw rotational speed, combined with a decrease in the casing rotational speed and the inclination angle of the screw mixer, leads to an increase in the conveying and mixing capacity of the screw mixer when handling combinations of various bulk materials. During the transportation and mixing of a threecomponent mixture, the capacity ranged from 0.56 t/h to 3.78 t/h, while for a twocomponent mixture it ranged from 0.62 t/h to 4.37 t/h. An increase in the screw rotational speed n1 from 250 rpm to 350 rpm results in a 1.85fold increase in the capacity of the screw mixer. Increasing the casing rotational speed n2 from 100 rpm to 200 rpm leads to a 1.58fold decrease in the screw mixer capacity, whereas changing the inclination angle α from 0° to 30° results in a 1.38fold decrease in the capacity of the screw mixer. Structural synthesis of screw conveyor–mixers with rotating casings was performed using morphological analysis, resulting in the development of new designs of screw working bodies for mixers and screw conveyor–mixers with rotating casings. The developed designs of screw conveyor–mixers with rotating casings, mixing screws, and methods for their manufacture are protected by nine Ukrainian utility model patents. The effectiveness of the technological process of mixture blending using screw conveyor–mixers with rotating casings, developed on the basis of Ukrainian patents No. 154380 and No. 154547, was confirmed at LLC “CFG Trading” of the Continental Farmers Group (Ternopil) and at the farming enterprise “KROK VPERED 2019” (Ternopil region, Trybukhivtsi village). The mixing screw designs manufactured in accordance with Ukrainian patents No. 153687 and No. 153774 were used in the production of mixing equipment at the farming enterprise “DARY DOLYNY” (Ternopil region, Husiatyn township) and at the private enterprise “Khlopivetske” (Ternopil region, Kopychyntsi). The economic effect obtained from the implementation and use of the technical solutions developed on the basis of the abovementioned patents amounted to UAH 534,000.