ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СЕКЦІЙНИХ ГВИНТОВИХ КОНВЕЄРІВ ДЛЯ ТРАНСПОРТУВАННЯ СИПКИХ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ МАТЕРІАЛІВ : ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЕКЦИОННЫХ ВИНТОВЫХ КОНВЕЙЕРОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СЫПУЧИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

brief description

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ІВАНА ПУЛЮЯ

На правах рукопису

ГЕВКО МИРОСЛАВ РОМАНОВИЧ

УДК 621.356.2

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СЕКЦІЙНИХ ГВИНТОВИХ КОНВЕЄРІВ ДЛЯ ТРАНСПОРТУВАННЯ СИПКИХ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ МАТЕРІАЛІВ

05.05.11 – Машини і засоби механізації
сільськогосподарського виробництва

ДИСЕРТАЦІЯ
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор
Рогатинський Роман Михайлович

Тернопіль - 2013

ЗМІСТ

ВСТУП……………………………..……………..……………………...……4
РОЗДІЛ 1. СТАН ПИТАННЯ……..………………………………………10
1.1. Способи транспортування сипких сільськогосподарських
матеріалів у замкнутих кожухах технологічних магістралей
та схеми їх компонування...............................................................................10
1.2. Класифікація гнучких гвинтових конвеєрів................................……...21
1.3. Огляд конструкцій робочих органів гнучких гвинтових конвеєрів....26
1.4. Аналіз результатів теоретичних та експериментальних досліджень гнучких гвинтових конвеєрів...........................................................………..37
1.5. Висновки……………………………………………………....………....45
РОЗДІЛ 2. ТЕОРЕТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ
СЕЦІЙНОГО ШАРНІРНОГО РОБОЧОГО ОРГАНУ ГНУЧКОГО ГВИНТОВОГО КОНВЕЄРА.......................................................................46
2.1. Теоретичне обґрунтування конструктивних параметрів шарнірної секції робочого органу....................................................................................46
2.2. Теоретичне обґрунтування переміщення сипкого матеріалу в неактивних зонах секційного гвинтового органу.........................................53
2.3. Розрахунок конструктивно-кінематичних параметрів шарнірних секцій робочого органу гнучкого гвинтового конвеєра...............................64
2.4 Висновки.....................................................................................................73
РОЗДІЛ 3. ПРОГРАМА, МЕТОДИКА ТА РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ............................................75
3.1. Програма експериментальних досліджень.............................................75
3.2. Конструктивні схеми секційних шарнірних робочих органів гнучких гвинтових конвеєрів........................................................................................76
3.3. Стендове обладнання та методика проведення експериментальних
досліджень........................................................................................................80
3.4. Методика та результати експериментальних досліджень
шарнірних гвинтових робочих органів з визначення їх
енерго-силових параметрів............................................................................84
3.5. Методика та результати експериментальних досліджень з
визначення продуктивності гнучкого гвинтового конвеєра.......................89
3.6. Методика проведення та результати експериментальних
досліджень з визначення зміни крутного моменту на робочому
органі при переміщенні зернового матеріалу..............................................91
3.7. Методика проведення та результати експериментальних
досліджень з визначення ступеня пошкодження зернового матеріалу
при транспортуванні гнучким гвинтовим конвеєром.................................99
3.8. Методика проведення та результати експериментальних
досліджень з визначення деформаційно-силових характеристик розроблених робочих органів......................................................................103
3.9. Висновки.................................................................................................105

РОЗДІЛ 4. СИНТЕЗ ШАРНІРНИХ ГВИНТОВИХ РОБОЧИХ ОРГАНІВ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ ДЛЯ ВИБОРУ ЇХ
РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ...........................................................108
4.1. Синтез шарнірних гнучких гвинтових робочих органів....................108
4.2. Комп’ютерне моделювання для вибору раціональних
конструктивних параметрів шарнірного гвинтового робочого органу...123
4.3. Конструктивно-технологічні схеми з розширення функціональних можливостей механізованого транспортування сипких матеріалів........126
4.4. Економічна ефективність від застосування гнучкого гвинтового конвеєра з розробленим секційним робочим органом..............................130
4.5. Висновки.................................................................................................134
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ...........................................................................135
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ................................................138
ДОДАТКИ....................................................................................................152

В С Т У П

Транспортування сипких сільськогосподарських матеріалів з мінімальним ступенем їх пошкодження на криволінійних трасах в замкнутих еластичних кожухах за допомогою гнучких гвинтових конвеєрів забезпечує високу мобільність виконання завантажувально-розвантажувальних технологічних процесів.
Однак, існуючі гнучкі гвинтові робочі органи не можуть в повній мірі задовольнити експлуатаційні вимоги, які висуваються до таких типів транспортерів. Так, застосування суцільних спіралей шнеків призводить до їх швидких руйнувань внаслідок знакозмінних циклічних навантажень, а використання відомих комбінованих та секційних робочих органів характеризується високою матеріаломісткістю, що призводить до підвищення енерговитрат, пошкодження транспортованого матеріалу та інтенсивного зношення внутрішньої поверхні гнучких еластичних кожухів.
Тому актуальним є завдання розробки нових конструкцій та обґрунтування конструктивно-кінематичних параметрів шарнірно з’єднаних секційних робочих органів гнучких гвинтових конвеєрів, які забезпечать підвищення функціональних та експлуатаційних показників процесу транспортування сипких сільськогосподарських матеріалів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дослідження, що складають основи дисертаційної роботи, виконані відповідно до Державної науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України за напрямком „Виробництво машин і технологічного обладнання для сільськогосподарської, харчової і переробної промисловості”. Основні положення роботи увійшли до звіту по темі: „Синтез систем неперервного транспорту на основі розкриття закономірностей формування потоку вантажу робочими поверхнями (номер державної реєстрації 0111 U002586), яка реалізується в рамках Постанови Кабінету Міністрів “Про розвиток сільськогосподарського машинобудування і забезпечення агропромислового комплексу конкурентноспроможною технікою”.
Мета і задачі досліджень.
Мета роботи – підвищення функціональних та експлуатаційних характеристик гнучких гвинтових конвеєрів шляхом розробки та обґрунтування параметрів шарнірно з’єднаних секційних гвинтових робочих органів для транспортування сипких сільськогосподарських матеріалів.
Відповідно до поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:
- провести аналіз відомих способів та конструкцій робочих органів для транспортування сипких сільськогосподарських матеріалів по криволінійних трасах і визначити напрямки їх вдосконалення;
- вивести аналітичні залежності для визначення раціональних конструктивних параметрів шарнірно з’єднаних секцій в залежності від кривизни технологічної магістралі;
- здійснити моделювання процесу переміщення сипкого вантажу в неактивній зоні між сусідніми гвинтовими ребрами для вибору оптимальних параметрів розробленого робочого органу;
- провести силовий аналіз для визначення взаємозв’язку між конструктивними параметрами елементів гвинтових секцій, їх коловими навантаженнями та відповідними кутовими деформаціями;
- розробити методики проведення досліджень, стендове обладнання та експериментальну установку гнучкого гвинтового конвеєра з визначенням його продуктивності при різних режимах роботи та з різними сипкими матеріалами сільськогосподарського виробництва;
- провести комплекс експериментальних досліджень для визначення впливу конструктивних, кінематичних і динамічних параметрів шарнірних секцій робочого органу на енерго-силові показники процесу транспортування сипких вантажів та встановлення ступеня пошкодження зернового матеріалу;
- здійснити синтез нових конструктивних схем секційних шарнірних гвинтових робочих органів з метою зменшення металомісткості та спрощення їх конструкцій при забезпеченні відповідної навантажувальної здатності в залежності від умов функціонування;
- розробити комп’ютерну модель для визначення взаємозв’язку між конструктивними та деформаційними параметрами елементів шарнірного гвинтового робочого органу.
Об’єкт дослідження – технологічний процес переміщення сипких сільськогосподарських матеріалів гнучкими гвинтовими конвеєрами.
Предмет дослідження – взаємозв’язок режимів транспортування сипких сільськогосподарських матеріалів з параметрами секційного гвинтового конвеєра.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведені із застосуванням методів механіко-математичного моделювання, класичної механіки, опору матеріалів, теорії контактної взаємодії та переміщення матеріалу між сусідніми гвинтовими ребрами. Експериментальні дослідження проводились за галузевими та розробленими методиками на стандартизованому та спеціально сконструйованому і виготовленому обладнанні та приладах. При проведенні експериментальних досліджень застосовувались математичні методи планування багатофакторного експерименту. Обробка отриманих результатів здійснювалась на ПЕОМ за допомогою прикладних програм.
Наукова новизна отриманих результатів.
На основі виведених аналітичних залежностей вперше визначено раціональні конструктивні параметри шарнірно з’єднаних гвинтових секцій в залежності від кривизни технологічної магістралі.
Встановлено вплив конструктивних та кінематичних параметрів шарнірно з’єднаних гвинтових секцій на переміщення сипкого вантажу в неактивній зоні між сусідніми гвинтовими ребрами для вибору оптимальної відстані між їх торцями.
Розроблено математичну модель напружено-деформівного стану секцій робочого органу з виведенням функціональних залежностей між конструктивними параметрами, силовими навантаженнями та відповідними кутовими деформаціями.
Вперше встановлено закономірності впливу конструктивних, силових,
динамічних і технологічних параметрів розробленого шарнірно-секційного робочого органу на функціональні та експлуатаційні показники процесу роботи гнучкого гвинтового конвеєра, а також ступінь пошкодження зернового матеріалу.
Розроблено синтез секційних гвинтових робочих органів з генеруванням рядів конструктивних схем із заданими техніко-економічними характеристиками.
Практичне значення отриманих результатів.
За результатами теоретичних досліджень розроблено нову конструкцію шарнірно з’єднаного гвинтового робочого органу гнучкого конвеєра та обґрунтовано його раціональні конструктивно-технологічні параметри.
Розроблено лабораторну установку та методику визначення взаємозв’язку між конструктивними і силовими параметрами шарнірного зачеплення та елементів конструкції гвинтових секцій, а також експлуатаційних показників робочого органу.
Розроблено методику та визначено вплив на ступінь пошкодження зернового матеріалу конструктивних і кінематичних параметрів секційного гвинтового робочого органу.
Розроблено програмне забезпечення для визначення взаємозв’язку між конструктивними та деформаційними параметрами елементів шарнірного гвинтового робочого органу.
Розроблено конструктивно-технологічні схеми компонування гнучких гвинтових конвеєрів з робочими машинами для розширення функціональних можливостей транспортування сипких сільськогосподарських матеріалів.
Технічна новизна виконаних розробок захищена п’ятьма деклараційними патентами України на винаходи.
Окремі результати роботи впроваджено в навчальний процес підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр за спеціальністю 6.091902 “Механізація сільського господарства” для викладання дисциплін “Сільськогосподарські машини” у Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя.
Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи здобувачем отримані особисто. У теоретичних дослідженнях [1; 7] здобувачем виведено аналітичні залежності для визначення раціональних конструктивних, силових і технологічних параметрів секційного гвинтового робочого органу. Здійснено моделювання процесу переміщення сипкого вантажу в неактивній зоні між сусідніми гвинтовими ребрами для вибору оптимальної відстані між їх торцями. Проведений розрахунок напруженого стану елементів зачеплення шарнірних секцій та запропоновано методику вибору їх раціональних параметрів. Особистий внесок здобувача полягає у проведенні та обробці результатів експериментів, розробці комп’ютерної моделі для визначення взаємозв’язку між конструктивними та деформаційними параметрами елементів шарнірного гвинтового робочого органу [5; 6; 12]. За матеріалами дисертації отримано п’ять деклараційних патентів України на корисні моделі, в трьох з яких здобувачеві належать схеми кріплення гвинтових секцій робочих органів конвеєрів. Постановка задач, аналіз і трактування отриманих результатів виконані спільно з науковим керівником.
Апробація результатів дисертації. Основні положення виконаних досліджень доповідались і обговорювались на розширеному засіданні наукового семінару Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя (2009-2012рр.), дванадцятій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2008р), Всеукраїнській науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2009р), науково-технічній конференції вчених та студентів ”Актуальні задачі сучасних технологій”(Тернопіль, ТДТУ, 2010р), XXV науково-технічній конференції професорського-викладацького складу „Актуальні проблеми та перспективи науки і виробництва”(Луцьк, ЛНТУ, 2010р), міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки”, присвяченій 112-ій річниці з дня народження академіка Петра Мефодійовича Василенка (Вінниця, ВНАГ, 2012). В повному обсязі робота доповідалась на засіданні науково-методичної ради за напрямом підготовки «Машинобудування» МОН України, на науковому семінарі „Підйомно-транспортні машини“ Підйомно-транспортної Академії Наук України та на розширеному засіданні тематичного наукового семінару кафедри технічної механіки, сільськогосподарських машин і транспортних технологій Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя (2012р.).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 17 наукових праць, з них 7 – у фахових виданнях, 5 – деклараційних патентів України на корисні моделі, 5 – у тезах наукових конференцій.

bibliography

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації вирішена науково-прикладна задача, яка полягає у підвищенні функціональних та експлуатаційних показників процесу транспортування сипких сільськогосподарських матеріалів шляхом розробки нових конструкцій шарнірно виконаних секційних гвинтових робочих органів та обґрунтування їх раціональних конструктивних, силових та кінематичних параметрів.
2. На основі проведеного теоретичного аналізу просторового розташування шарнірно з’єднаних гвинтових секцій встановлено функціональні залежності мінімально допустимого радіуса кривизни технологічної магістралі RТmin від кутового провертання сусідніх секцій та їх конструктивних параметрів. Так для забезпечення RТmin еластичного кожуха з внутрішнім діаметром 100 мм раціональними будуть наступні межі конструктивних параметрів: величина зазору між пластинами сусідніх секцій Δз = 0,5...1 мм; ширина пластин 2R = 22...26 мм; довжина секції між шарнірними отворами L = 100…140 мм.
3. На основі розробленої математичної моделі процесу переміщення частинки вантажу по робочій поверхні гвинтової спіралі і у вільному русі після відриву від гвинтового ребра встановлено вплив параметрів гвинтового конвеєра на рух частинки в неактивній зоні. Так для забезпечення стабільного руху потоку матеріалу при величині неактивної зони Δ = 30...50мм межі параметрів є такими: частота обертання робочого органу n 600 об/хв; кут нахилу магістралі м