Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Одно из условий повышения эффективности строительного производства - рост его технической вооруженности, в том числе развитие и совершенствование оборудования для погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ с сыпучими материалами. Доставка этих материалов трубопроводным пневматическим транспортом получает всё более широкое распространение в строительной индустрии и строительстве. В России объём перемещаемых этим видом транспорта сыпучих строительных материалов, с учётом многократных перегрузок, составляет сотни миллионов тонн в год. Самыми массовыми грузами являются вяжущие материалы - тонкоизмельченные порошкообразные минеральные вещества.

Экспериментальные исследования, выполняемые при создании пневмотранспортного оборудования, позволяют изучить физические процессы движения аэросмеси, основные характеристики работы узлов оборудования и получить практические данные о режимах и параметрах происходящих процессов.

Цель исследования: определить скорость воздуха в трубопроводе и концентрации смеси, расход воздуха и диаметра транспортного трубопровода, расчет пневматических винтовых насосов и подъемников для надежности и экономичности системы.

Материалы и методы: на этапе обоснования исследований и оценки качественных характеристик процесса взаимодействия со средой определилась целесообразность проведения исследований на моделях пневморазгрузчиков и установлены масштабы моделирования. Выбор масштабов основных параметров является важным этапом формирования приближенных физических моделей. При этом обеспечено моделирование динамических процессов взаимодействия оборудования со средой (сыпучим материалом) при отсутствии полного математического описания.

Результаты и обсуждение. На этапе обоснования алгоритма исследований и оценки качественных характеристик процесса взаимодействия со средой определилась целесообразность проведения исследований.  Выбор масштабов основных параметров является важным этапом формирования приближенных физических моделей.  Для создания физических моделей заборных устройств пневморазгрузчиков цемента применены основные положения теории подобия. Проанализирована определяющая подсистема «цемент - дисковый питатель» и выбраны параметры так, чтобы получить моделируемые процессы, тождественные процессам в системе-оригинале [1].

При определении масштабов моделей применены рекомендации методики моделирования о возможности использования в качестве модели существующего образца конструктивно подобной машины (рис. 1).

В качестве натурного образца использовано заборное устройство пневморазгрузчка модели ТА-33 (K_l =1) и изготовлены две модели в масштабе K_l =1,37 и K_l =3,5.

Основные параметры натурного образца заборного устройства и двух его моделей приведены в табл. 1.

Рис. 1. Заборное устройство пневморазгрузчика цемента всасывающе-нагнетательного действия:

1 - рушитель; 2 - редуктор привода дисков; 3 -  сопло; 4 -  опорный ролик; 5 -  зачистное устройство; 6 -  рама; 7 - колесо; 8 - талреп; 9 - редуктор привода колеса; 10 - поворотный патрубок

Таблица 1. Основные параметры натурного образца заборного устройства и 2-х его моделей

Дня рассматриваемого процесса взаимодействия вращающихся перфорированных дисков заборного устройства с рабочей средой (цементом) характерно действие сдвига, тяжести, инерции, внутреннего и внешнего трения, и подсистема «цемент - дисковый питатель» характеризуется следующими основными критериями подобия:

;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ,

где - угловая скорость диска; - определяемый линейный размер; - мощность дискового питателя; φ - текущий угол поворота диска;  t -  время; - коэффициент трения цемента о диск; g - ускорение свободного падения; G_д  -  секундная производительность (массовый расход) питателя;  - насыпная масса цемента, перемещаемая диском питателя; ρ - плотность цемента; Е - модуль упругости цемента; - критическое напряжение, соответствующее нарушению структурных связей в массе насыпи цемента; V_ц.д. - средняя скорость цемента, подаваемая диском.

Рассматривая комплекс приведенных критериев, можно сделать вывод, что определяющими критериями являются:

F_r -   (критерий Фруда) и   C_о  -   (критерий Коши).

Для осуществления физического моделирования необходимо, чтобы масштабы всех сил, соответствующих вышеназванным определяющим критериям, были равны, что невозможно. Моделирование по одному из определяющих критериев F_r или C_о производить нежелательно, так  как нам неизвестно соотношение между силами, участвующими в процессе. Поэтому был принят метод моделирования, при котором не требуется изменять прочностные свойства цемента и учитываются все основные силы, соответствующие критериям F_r и C_о. При выбранном методе моделирования необходимо выдержать условия механического подобия  как сочетания подобия кинематического и материального, т.е.

 ;   ;   ;   ;   ,   (1)

где t - время; V - скорость;  - ускорение; l - определяющий линейный размер;  m - масса; ; ; ; ; - соответствующие коэффициенты подобия.

Индексом «м» обозначены параметры модели, а индексом «н» - параметры натурного образца. При этом:

; ; ; .    (2)

Соотношение между параметрами процесса, имеющими размерность силы для оригинала и модели, как известно, можно записать в следующем виде:

,  (3)

где n - коэффициент несоблюдения динамического подобия в случае, когда подобные процессы протекают в геометрически подобных системах при не изменяющихся прочностных свойствах рабочей среды.

Переход от модели к оригиналу по величинам, определяющим силовые характеристики процесса, может быть в общем случае осуществлен посредством применения принципа суперпозиции при анализе сил, определяющих рассматриваемый процесс. Такой прием базируется на известном положении механики о независимости действия сил. Так, горизонтальная составляющая общего сопротивления перемещению цемента диском питателя может быть условно представлена в виде некоторой суммы сил:

 ,  (4)

где S₁ - сопротивление, обусловленное действием объемных сил (сила давления массы цемента на диск, сила давления  заборного устройства на опору диска); S₂ - сопротивление, обусловленное действием поверхностных сил (сила сцепления, сдвига, трения и т.д.).

Соответствующие силы сопротивления S_1м и S_2м на модели заборного устройства устанавливаются экспериментально. Применяя основные соотношения подобия для объемных и поверхностных сил, была установлена зависимость для определения показателя степени n:

.  (5)

На основании полученных экспериментальных данных установлено, что величина n =( 2,7 - 2,8) для различных режимов работы дискового питателя.

Установлены формулы коэффициентов перехода для пересчета ряда основных параметров с модели на натурный образец:

- для скорости ; - для ускорения ;  - для силы ;

-  для мощности ;  -  для производительности .

При сравнении с результатами испытаний натурных образцов заборных устройств пневморазгрузчиков цемента установлено, что отклонение расчетных значений, полученных с применением формул перехода, от действительных, составляет: для мощности - до 6 %,  для сил - до 7 %, для производительности - 12-18 %. Следовательно, приведенные формулы могут быть с успехом применены при разработке новых типоразмеров заборных устройств пневмотранспортных машин.

Указанные исследования параметров заборного устройства, а также всасывающей и нагнетательной линий пневморазгрузчика, их синхронной работы, перетечек воздуха из нагнетательной линии во всасывающую и ряда других величин производились на специально разработанных экспериментальных стендах [2].

Конструкция стендов позволила проводить исследования на экспериментальных образцах пневморазгрузчиков цемента всасывающе-нагнетательного действия и физических моделях заборных устройств с использованием необходимой испытательной аппаратуры. Регистрация основных параметров пневмотранспорта базировалась на тензометрических измерениях процесса. В основу замера был положен метод синхронной непрерывной записи параметров процесса.

Полученные в процессе исследований величины параметров пневмосистемы были использованы при разработке инженерной методики расчета пневморазгрузчиков.

Теоретические основы расчета пневмотранспортных установок до настоящего времени разработаны недостаточно. Это объясняется сложностью физических явлений, происходящих при пневматическом транспортировании материалов. Поэтому большинство предлагаемых методик расчета пневмотранспортных установок основывается на экспериментальных данных, полученных при пневматическом перемещении отдельных материалов на определенных установках.

Исходными данными для расчета и проектирования пневматической транспортной установки являются: тип установки, схема, конфигурация и длина трассы, про­изводительность установки; род и физико-механические свойства транспортируемого материала (плотность, объемная масса сыпучего материала, гранулометрический состав, влажность, абразивность, липкость).

При расчете пневматической установки требуется определить необходимый расход воздуха, диаметр трубопроводов и потребный напор, на основании которых подбирается воздуходувная машина и двигатель соответствующей мощности. Для расчета основных параметров пневматической установки определяется ряд вспомогательных величин, массовая концентрация смеси, скорость витания, рабочая скорость воздуха в трубопроводе и т. д. После расчета основных параметров производится конструктивная разработка отдельных элементов и узлов пневматической установки.

Выбор типа питателя зависит от параметров транспортирования (производительности, дальности подачи) и его режима. Так, для непрерывной подачи материала при расстоянии до 400 м применяют пневмовинтовые, при расстоянии до 150м могут быть применены шлюзовые или струйные питатели. Камерные питатели используют там, где по условиям производства допускается периодическая или циклическая подача материала, а также при большой длине транспортного трубопровода - до 1000 м. Окончательно тип и параметры питателя и воздуходувной машины выбирают после определения полного сопротивления всех элементов транспортной магистрали.

Приводимые методики расчета установок пневматического транспорта являются результатом большого объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Многие из этих методик были откорректированы по результатам по эксплуатации созданных разгрузочных и пневмотранспортных систем для строительных материалов и изложены в работах [3].

Определение скорости воздуха в трубопроводе и концентрации смеси

Скорость воздуха в трубопроводе V_В , концентрация смеси μ являются основными факторами, определяющими надежность и экономичность системы. Массовая концентрация смеси μ характеризует соотношение масс материала и воздуха в трубопроводе. Увеличение концентрации до известного предела улучшает технико-экономические показатели пневмотранспортной установки. Однако в случае превышения оптимальных для данной системы значений концентрации, работоспособность, надежность и экономичность установки резко ухудшаются, может произойти завал трубопровода. При прочих равных условиях концентрацию принимают тем больше, чем трубопровод.

К настоящему времени накоплен значительный опыт по созданию, исследованию и эксплуатации пневмотранспортных систем, перемещающих различные сыпучие строительные материалы [4]. На основании полученных данных построены графики зависимости оптимальной скорости воздуха и массовой концентрации от приведенной дальности транспортирования для всасывающих (рис. 5) и нагнетательных (рис. 6) систем.

При выполнении расчета установок пневматического транспорта принятые по указанным графикам данные позволяют с достаточной для практических целей точностью предварительно определить необходимый для работы установки расход воздуха. Фактическая величина массовой концентрации, скорости воздуха и другие параметры пневмотранспортирования уточняются после окончательного выбора размеров и конфигурации трассы, её диаметра, воздуходувного оборудования.

Определение расхода воздуха и диаметра транспортного трубопровода

Расход сжатого воздуха Q_В определяют в первом приближении на основании выбранного значения μ и производительности установки G по формуле:

, (7)

где γ_В=1,2 кг/м³ - плотность «стандартного» воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 15 ⁰С.

Диаметр транспортного трубопровода d_ТР определяется на основании величины расхода воздуха Q_В и выбранной скорости V_В на выходе из трубопровода:

 . (8)

По таблице 3 внутренних диаметров труб выбирается труба с внутренним диаметром, равным (или ближайшим большим) рассчитанному.

По выбранному диаметру уточняется расход при той же скорости и фактическая концентрация смеси по формулам:

,(9)

, кг/кг . (10)

Расчет пневматических винтовых насосов и подъемников

Методика расчетов пневматических винтовых насосов и подъемников базируется на определении параметров напорного шнекового механизма (диаметра, шага витков, частоты вращения) и элементов  пневмосистемы (расхода транспортирующего воздуха, диаметра материалопровода и потерь давления) [5].

Таблица 3. Таблица для определения внутренних диаметров труб (трубы стальные бесшовные горячедеформированные)

Производительность шнека (т/ч) определяют по последнему напорному витку:

 (21)

где D_Ш - диаметр шнека, м; d_B - диаметр вала шнека, м обычно d_В = (0,42 - 0,52) D_Ш; S´_Н=S_Н -δ_Н - шаг последнего напорного витка без толщины витка δ_Н (принимается δ_Н =0,06В_Ш ); K_СК  - коэффициент скольжения шнека; ρ₀ - объемная масса материала, т/м³, для наиболее распространенных марок цемента ρ₀ = 1,15 т/м³; n - частота вращения шнека в мин ^-1.

При частоте вращения шнека n = 1000 мин*¹ (при работе с гильзой с продольными валиками) коэффициент скольжения шнека K_СК:

,  (22)

где  В - коэффициент, показывающий степень влияния угла подъема α_ср винтовой линии последнего напорного витка на коэффициент скольжения К_СК, равный:

 ,(23)

α_ср - угол подъема винтовой линии витка по среднему радиусу; S - коэффициент, учитывающий степень влияния коэффициента уплотнения шнека К_у на коэффициент скольжения К_СК; для шнека с шероховатой поверхностью витков (витки наплавлены):

,  (24)

К_У - коэффициент уплотнения шнека, определяемый как отношение межвиткового пространства (первого заборного) и последнего напорного витков:

 , (25)

ξ - коэффициент, показывающий степень влияния диаметра шнека D_Ш на коэффициент скольжения К_СК. Степенная связь избыточного давления в смесительной камере питателя и коэффициента ξ - (10_Рк ) ξ - отражает степень влияния противодавления и диаметра шнека на величину коэффициента скольжения К_СК и учитывает уплотнение материала в шнеке за счет избыточного давления.

Оптимальное число витков напорного шнека: для заборной части m₃≥2; для напорной части m_н= 4 - 5.

Потребная мощность (кВт) на привод шнека:

, (26)

где 430 см²·м^-1·с^-1 - коэффициент; P_к - избыточное давление в смесительной камере питателя, МПа.

Выводы

При масштабировании моделей даны рекомендации методики моделирования о возможности использования в качестве модели существующих образцов конструктивно подобных машин. Результаты исследований рекомендованы для инженерной методики расчета пневморазгрузчиков. Сформулированы цели и задачи расчета установок пневматического транспорта. Даны рекомендации по расчету параметров транспортных трубопроводов и пневматических винтовых насосов и подъемников. При расчете пневматической установки определен необходимый расход воздуха, диаметр трубопроводов и потребный напор, на основании которых подбирается воздуходувная машина и двигатель соответствующей мощности.

Рецензенты:

• Добромиров  В. Н.,  д.т.н., профессор, директор Института безопасности дорожного движения, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.
• Репин С. В., д.т.н., профессор кафедры транспортно-технологических машин, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.