с 01.01.2020 по настоящее время
Россия
Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ВАК 05.02.2000 Машиностроение и машиноведение
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
ОКСО 15.02.08 Технология машиностроения
ББК 306 Общая технология. Основы промышленного производства
ТБК 5372 Промышленный транспорт
Целью статьи является анализ основных работ, результаты которых используются при расчетах элеваторов с умеренными скоростными режимами, для выяснения пригодности их отдельных положений для разработки параметров центробежной разгрузки скоростных элеваторов. Значительный интерес представляют работы, посвященные непосредственно или косвенно исследованию работы скоростных элеваторов, результаты которых не получили достойной трактовки и развития. В связи с тем, что эффективность работы скоростных элеваторов определяется не только качеством центробежной разгрузки, но и работой ленточно-барабанного механизма без пробуксовки, возникает необходимость анализа работ, направленных на решение этой проблемы. В работе приведены известные решения для определения параметров центробежной разгрузки, которые базируются на различных гипотезах движения частиц материала внутри ковша. Изучены физико-механических явления, которые влияют на движения частиц материала в ковше элеватора, выявлены преимущества и недостатки каждой гипотезы. Теоретическое исследование процесса центробежной разгрузки осложняется тем, что при движении и выходе материала из ковша мы имеем дело с неустойчивым движением сыпучего материала под действием изменяющейся системы сил: сил притяжения, центробежной и кориолисовой сил, силы трения. Между тем, как известно, даже самые простые случаи движения материала при гравитационном или смешанном режиме разгрузки трудно поддаются теоретическому анализу. В связи с этим, были установлены зависимости и методы построения траекторий движения материала, а так же актуальность использования того или иного уравнения.
центробежная разгрузка, ковшовый элеватор, траектория движения, относительная скорость, нория, угол метания
Данная статья актуальна для отрасли сельского хозяйства. Увеличение урожайности, зерновых культур является одним из главных направлений в сельском хозяйстве. Именно зерна, всё более уязвимы к механическому воздействию, при неоднократной перегрузке посевных материалов возникает травмирование значительной части зерна, что приводит к его последующим невсходам. Исходя из этого фактора, вопрос расчета параметров элеватора является важной и актуальной задачей, позволяющей на основе адекватных математических моделей оптимизировать конструкционные и технологические параметра элеватора по критерию минимального травмирования зерна.
Основным фактором, определяющим параметры ленточного барабанного механизма нории, является процесс разгрузки ковшей и связанный с ним характер свободного движения зернового потока в головке, от которых зависят производительность и качество перегрузки зерна. Как правило, высокопроизводительные элеваторы с большой скоростью движения ленты работают в режиме центробежной разгрузки ковшей, который наименее изучен в связи со сложностью физико-механического процесса.
Элеватор – это машина непрерывного действия, представляющая собой вертикальный ленточный (в некоторых случаях цепной) конвейер, предназначенный для перемещения насыпных и штучных грузов под углом, как правило, 60–82 °. Основными параметрами являются мощность на приводном валу элеватора, мощность двигателя, частота вращения приводного вала элеватора, передаточное число между валом двигателя и приводным валом элеватора. Так же важнейшим параметром является процесс разгрузки, в котором большое внимание уделяется травмированию материала о стенки корпуса элеватора. Процесс разгрузки сыпучего материала состоит из двух взаимосвязанных этапов: первый - это движение материала внутри ковша с дальнейшим выбросом, второй - свободный полет зерна в головке нории по траектории, параметры которой зависят от скорости и угла метания зерна. Данные параметры малоизученны, хотя очень актуальны, есть гипотезы различных ученных, которые вели разработки о теории движения частиц внутри элеватора, но каждая гипотеза разница с другой и не учитывает того или иного фактора. Поэтому нужно провести анализ теоретических закономерностей расчета элеваторов, выявить преимущества и недостатки каждой методики, с целью создания расчетной базы для построения новых математических закономерностей, которые позволят создать теоретические основы расчета скоростных элеваторов, с учетом тех критериев и параметров, которые раньше учтены не были.
Основная часть. Начало разработки теории ковшовых элеваторов было положено работой А.В. Сикерина [10]. В основу была положена гипотеза о том, что при выбросе материала из ковша частицы должны двигаться вдоль нижней или верхней стенки в зависимости от кинематического режима. Были составлены и рассмотрены уравнения движения частицы материала по внутренней стенке ковша, выяснено существенное влияние кориолисового ускорения на сброс частицы [6].
Развивая идею А.В. Сикерина о движении частицы материала по плоской стенке ковша с учетом силы Кориолиса, профессор П.С. Козьмин составил и дал решение дифференциального уравнения движения частицы материала по внешней кромке ковша, которое дает зависимость между пройденной частицей по стенке путем 
и углом поворота перпендикуляра, проведенного из центра вращения на линию плоскости прямолинейной стенки ковша, определяющего положение ковша [11]. Решение дано в виде отношения S/h (h - расстояние полюса), которое выражается громоздким сочетанием показательных и тригонометрических функций углов поворота 
и угла трения 
. П.С. Козьмин построил ряд графиков, позволяющих получить приближенные выражения.
В дальнейшем Н.К. Фадеевым [19] было сделано предположение, что влияние сил трения при движении частиц по стенкам незначительно, так как составляющие силы инерции и силы тяжести действуют в разные стороны и разница их невелика, а кориолисовая сила мала. В связи с этим Н.К. Фадеев считает, что выражение для S/h может быть упрощено, принимая 
. Анализ решений А.В. Сикерина и П.С. Козьмина, проведенный Н.К. Фадеевым, показал, что движение частиц по внешней стенке при угле поворота менее 90 ° невозможен, поскольку не выполняется условие отсутствия отрыва частиц от стенки. При этом установлено, что длина верхней стенки ковша 
, не должна превышать величину 
, где 
-радиус барабана.
Для того, чтобы частица прошла путь , ковш должен повернуться от вертикальной оси на угол:
, (1)
Из формулы получаем 
. Практические расчеты показывают, что этот угол больше, чем 
, (
- начальный угол движения), а, следовательно, материал не попадает в отводной рукав (лоток) элеватора. Поэтому для полного отсутствия обратной сыпи в холостую ветвь элеватора длина передней стенки не может быть больше, чем 
. В связи с этим для высокоскоростных зерновых норий-элеваторов рекомендуется применять достаточно большие диаметры барабанов при относительно малых размерах ковшей, как и осуществлялось в нориях старых конструкций [3].
Н.К. Фадеев также отмечает, что эти зависимости нельзя использовать для анализа движения материала, который не лежит на стенках ковша, так как истинное направление движения частиц в ковше практически не известно. Н.К. Фадеев предполагает, что выход материала из ковша происходит в результате отрыва частиц от поверхности, образованной разделительной линией РА (рис. 1), соединяющей полюс Р с точкой А на кромке верхней стенки ковша. Такое направление движения материала в ковше не было подтверждено дальнейшими наблюдениями [5].
Профессор П.С. Козьмин предложил также метод построения траекторий, движение частицы в головке элеватора, полагая, что координаты точек параболической траектории можно определить с помощью уравнений:
; 
. (2)
Координата 
откладывается вдоль касательной, проведенной в любой точке на окружности радиуса внешней кромки ковша 
[2]. Точки на касательной выходят соответственно для времени 
, которое последовательно принимается в долях секунды порядка 0,1; 0,2; 0,3 и т.д. Из каждой точки на касательной, перпендикулярно к горизонтальной плоскости откладываются отрезки равные 
. Соединяя концы отрезков плавной кривой, получаем параболическую траекторию движения частицы с началом в точке касания.
На рис. 2 приведена схема построения траекторий и формы головки по методу П.С. Козьмина для центробежно-гравитационной разгрузки [12].
Такой метод построения траекторий является приближенным, поскольку скорость метание 
принимается равной переносной 
, то есть окружной скорости ленты. На самом деле при сочетании вращательного и поступательного движений абсолютная скорость метания будет определяться геометрической суммой переносной и относительной 
скоростей движения частицы при выбросе из ковша [4]. Величина и направление вектора абсолютной скорости будет зависеть от величины и направления вектора относительной скорости. Это обстоятельство учел Н.К. Фадеев, полагая, что относительной скоростью является скорость движения частицы вдоль верхней кромки ковша, и которую приближенно можно определить по зависимости:
, (3)
где – пройденный до сброса путь, 
– угол поворота ковша за время движения частицы, –скорость ленты.
Рис. 1. Предельное положение поверхности материала
по плоскости РА: 
– высота полюса; 
– полюс; 
– кромки ковша
Рис. 2. Схема построения траекторий и формы огибающей головки по методу П.С. Козьмина:
– радиус барабана; 
– радиус внешней кромки; 
– точки построения с шагом в 30˚;
- касательные траектории; 
- высота параболы; 
– высота полюса; 
– уравнение движения зерна
Предварительный анализ показывает, что этот способ определения относительной скорости представляет большие трудности, поскольку требует громоздких вычислений. Кроме того, в этом случае вектор относительной скорости направлен в сторону движения ковша и, следовательно, скорость метания будет больше переносной [7]. Величину абсолютной скорости можно определить только путем геометрических построений.
В работе [16] рассмотрен процесс разгрузки ковшей без дна, что входят друг в друга и имеющие специфическую прямолинейную форму (рис. 3). В процессе исследования принято, что материал скользит вдоль верхней прямолинейной стенки ковша и вектор относительной скорости направлен вдоль этой стенки. В этом случае вектор относительной скорости направлен под углом к радиусу ковша и отклонен в сторону его движения. Для центробежной разгрузки получено следующее значение относительной скорости:
, (4)
где 
– вылет ковша, 
– угол поргузки ковша, 
– угол, образованный радиусами 
и 
(n – число ковшей на длине 
), 
– угол трения. Согласно формулы скорость 
увеличивается с увеличением углов и 
и уменьшается с увеличением угла трения (коэффициента трения). Абсолютная скорость выброса 
больше переносной скорости 
и согласно геометрической схеме увеличивается с увеличением относительной скорости [8].
Рис. 3. Схема к определению относительной скорости перемещения материала при центробежной разгрузке ковша: – вылет ковша; 
– угол трения; 
– угол между 
и 
; 
– абсолютная скорость выброса; 
– переносноя скорость; 
– относительная скорость; 
и 
– силы инерции
С учетом значений , построены траектории свободного полета частиц материала в головке нории по методике П.С. Козьмина, а также нанесены верхняя и нижняя границы в виде кривых, полученных с помощью скоростной киносъемки (рис. 4). Исследование проведено при кинематическом режиме с показателем 
(
м/с, 
м) [18].
Рис. 4. Траектории движения частиц, определяющие движение головки:
1 – верхний предел траектории полета частиц, полученный скоростной киносъемкой; 2 – сумма кривых, полученных путем построения с учетом трения частиц о стенку ковша; 3 – верхний предел кривых, построенных без учета трения; 4 – нижний предел траекторий полета частиц, полученный скоростной киносъемкой
Как видно из рис. 4, построенные расчетные траектории движения частиц с учетом их трения о стенку ковша, так и без учета трения абсолютно не вписываются в реальные криволинейные границы потока, определенные с помощью скоростной киносъемки, однако
Н.К. Фадеев не дает по этому поводу никаких объяснений. На самом деле траектории построены по неправильно определенному значению (как по величине, так и по направлению) относительной и абсолютной скорости. Значение относительной скорости по формуле (4) не зависит от угла поворота ковша и при движении ковша по кругу является величиной постоянной, в то время, как будет показано далее, реально она увеличивается от нуля до максимума при угле поворота ковша в пределах 0÷180˚. Вектор относительной скорости движения частиц будет направлен по отношению к радиусу ковша в сторону, противоположную направлению вращения, и, соответственно, величина абсолютной скорости и направление ее вектора будут другими, при этом величина абсолютной скорости 
не будет большей, чем величина переносной 
[9]. Вследствие этого траектории полета частиц будут короче и более кривыми, что и зафиксировала скоростная киносъемка.
Применение больших скоростей на элеваторных нориях исследовались Г.И. Креймерманом с сотрудниками "Союзпродмашины" [17]. Ставилась задача выяснить возможность повышения производительности нории путем повышения скорости рабочих органов. Лимитом скорости служило одно из следующих условий: заметное разрушение зерна; обратная сыпь в нисходящую ветвь (не более 1,5...2 %); появление сыпа зерна на восходящей ветке; усложнение конструкции, главным образом, головки. Испытания проводились на скоростях 2,3; 3,68; 4,86 и 6,2 м/с для шести типов ковшей различной емкости и конструкции. В качестве положительных результатов можно отметить следующее: вопреки бытующему мнению о том, что с увеличением скорости без соответствующего увеличения диаметра барабана объем обратной сыпи будет увеличиваться [1], была совершенно четко выявлена тенденция к снижению обратной сыпи при увеличении скорости ленты. Почти полное выбрасывание было получено даже при малом диаметре барабана (500 мм) при принудительном движении зерна с низким криволинейным сводом головки в виде изогнутого железного листа, при достаточно высокой скорости ленты 3,68 м/с (рис. 5). Коэффициент заполнения ковша практически не влияет на выбрасывание зерна и обратную сыпь, но влияет на прямую сыпь (сыпь в восходящую ветвь нории). При подъеме уровень естественного откоса зерна в ковше не должен превышать 5° что и определяет необходимые параметры ковша [20].
Испытания проводились для пшеницы и овса, влажность зернового материала не указывалась.
Рис. 5. Траектории движения зерна при принудительной разгрузке:
1 – железный кожух; 2 – лоток для сыпи; 3 – лента
Через специальные прозрачные стенки головки киносъемкой был зафиксирован характер траекторий выброса зерна в относительном движении и предполагаемые траектории движения частиц в потоке зернового материала [20]. Полученные данные наглядно показывают, что относительное движение частиц не происходит вдоль стенки ковша, а под действием центробежной силы выбрасывается вверх по криволинейной траектории, выпуклость которой направлена в сторону движения ковша. На рис. 5 четко видно, что относительная скорость выброса увеличивается от нуля до максимума при повороте ковша в пределах 0-180°. При такой траектории вектор относительной скорости будет отклоняться в сторону, противоположную направлению движения ковша, что существенно повлияет на величину и направление вектора абсолютной скорости метания [15]. К сожалению, Г.И. Креймерманом допущены ошибки в данных о количестве обратной сыпи при различных кинематических режимах и при различных типах испытуемых ковшей. Особый интерес вызывают данные о количестве сыпи в начале разгрузки (сыпь №2). Сыпь № 1 измерялась в нижней части нисходящей ветви (в холостой трубе). Г.И. Креймерман подчеркивает особую положительную роль ограничительного свода головки. Однако предлагаемые им контуры головок, построенных на основе траекторий по методу П.С. Козьмина без учета относительной скорости, являются громоздкими и их параметры не соответствуют параметрам современных головок ведущих зарубежных производителей. Наиболее ценным материалом для изучения процесса движения зернового материала в ковше при выбрасывании являются результаты исследования, проведенного П.П. Артемьевым и приведенные в источнике [13]. Траектории, полученные П.П. Артемьевым с помощью скоростной киносъемки при отсутствии ограничительного свода головки, по характеру совпадают с траекториями, приведенными в работе [14], однако ценность заключается в том, что они получены для конкретных кинематических режимов.
Элеватор, работающий в режиме центробежной нагрузки, является метательной машиной. Поэтому построение параболических траекторий свободного полета зерна в головке нории в прямоугольных координатах с началом координат в точке вылета можно проводить по уравнению без учета сопротивления воздуха:
, (5)
где и – горизонтальные и вертикальные координаты частицы, 
– угол наклона к горизонту касательной к траектории в начале полета, то есть угол вылета частицы, 
– начальная скорость вылета (скорость метания).
Выводы. Были проанализированы методики отечественных и зарубежных ученых по расчету параметров движения частиц в головке элеватора-нории. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных показало, что выражения профессора П.С. Козьмина определения относительной скорости представляет большие трудности, поскольку требует громоздких вычислений и не могут быть применены в качестве зависимости в расчетной модели движения зерна в головке элеватора. Наиболее достоверной является методика П.П. Артемьева полученная с помощью скоростной киносъемки, хотя она не учитывает сопротивление воздуха. Данная модель позволяет построить траектории движения частицы в головке элеватора и может быть применена для расчета конструкции элеватора высокой производительности.
При выборе той или иной методики расчета параметров движения частиц в элеваторе следует учитывать влияние сопутствующего воздушного потока, а также то обстоятельство, что при движении частицы в потоке она встречает меньшее сопротивление, чем при одиночном движении тела. Окончательный выбор можно сделать при построении нескольких контрольных траекторий и оценить влияние сопротивления воздуха, и установить наиболее неблагоприятный характер траектории при ударе частицы о своды головки.
1. Романович А.А. Энергосбережение при производстве строительных изделий // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2011. № 3. С. 69-71.
2. Романович А.А., Воробьев Н.Д., Апухтин И.В. Определение усилия уплотнения материалов в валковом устройстве // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 7. С. 107-111.
3. Герасимов М.Д., Любимый Н.С., Рязанцев В.Г. Методика проектирования вибропогружателей с асимметричными колебаниями // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 5. С. 135-142
4. Герасимов М.Д., Любимый Н.С. Технологические комплексы для производства дорожно-строительных материалов и работ: учебное пособие. Белгород. Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. С 25.
5. Герасимов М.Д. Способ получения направленных механических колебаний для практического применения в технологических процессах // Строительные и дорожные машины. 2014. №1. С. 35-38.
6. Шатохин И.В. Снижение травмирования зерна в нории // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. №2. С. 36-40.
7. Шатохин И.В. Совершенствование конструкции ковшового элеватора // Техника в сельском хозяйстве. 2004. №4. С. 38-43.
8. Тихонов А.А. Бабкин М.С. Анализ теорий движения частиц внутри ковшовых элеваторов // Синергия наук. 2020. № 54. С. 857-862.
9. Юдаев Н.В. Элеваторы, склады, зерносушилки. М.: ГИОРД. 2008. 178 с.
10. Демиденко А.И., Летопольский А.Б., Семкин Д.С. Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины. Омск: Изд-во СибАДИ. 2016. 264 с.
11. Рачков Е.В. Машины непрерывного транспорта. Альтаир: Изд-во МГАВТ. 2014. 145 с.
12. Ромакин Н.Е. Конструкция и расчет конвейеров. М.: ООО "ТНТ", 2012. 214 с.
13. Моряков О.С. Оборудование машиностроительного производства. М.: Изд-во Академия 2009. 86 с.
14. Гололобов Д.Ю., Союнов А.С., Кулаева А.Г. Кузьмин Д.Е. Анализ травмирования зерна в загрузочной части нории // Сборник международной научно-исследовательской конференции, посвященной 70-летию создания факультета ТС в АПК (МЕХ ФАК). 2020. С. 84-87.
15. Турушин В.А. Машины промышленного транспорта непрерывного действия: учебное пособие. Луганск: Изд-во СНУ им. В. Даля. 2009. 68 с.
16. Шатохин И.В., Щедрина Д.И., Пименов В.Б. Использование зерновых ковшовых элеваторов для транспортировки семян трав // Вестник воронежского государственного аграрного университета им. Императора Петра I. 2013. №1. С. 83-85.
17. Рогатинская О.Р. Исследование процесса транспортировки сыпучего груза наклонными винтовыми конвейерами // Вестник Тернопольского национального технического университета им. И. Пулюя. 2015. № 3. С. 137-143
18. Романеев Н.А., Варывдин В.В., Безик Д.А. Расчет напряженного состояния опоры нории методом автоматизированного проектирования машин // Природообустройство. 2016. № 3. С. 86-91
19. Московский М.Н., Адамян Г.А., Бабенко О.С. Модернизация зерновых норий в семяочистительных агрегатах // Естественные и технические науки. 2018. № 11 (125). С. 318-320.
20. Савиных П.А., Сычугов Ю.В., Казаков В.А. Перспективные технологии и технические средства для обработки зерна // Техника и оборудование для села. 2020. С. 22-26.
