Винтовые транспортеры (шнеки)

Схема работы и основные параметры

Материал перемещается в винтовом транспортере волочением независимо от физико-механических свойств груза, положения и параметров шнека. Однако траектории движения частицы груза различны в зависимости от частоты вращения винта. Принято раз­личать шнеки тихоходные и быстроходные. В тихоход­ных шнеках (рис. 69, а) при щ < щ_к (действительная угловая ско­рость меньше критической), когда (щ²R : g) <1, частица А совер­шает колебательные движения на переменном радиусе с одновре­менным осевым перемещением. Их применяют для вязких, липких и связных грузов: запаренный картофель, силос, навоз-сыпец и т. п. В быстроходном шнеке (рис. 69,б) при щ > щ_к и (щ²R : g) > 1 материал располагается под действием центробежных сил концентрично по поверхности кожуха, а частица А описывает винтовую спираль с шагом S_м < S — шага винта. В действительности по при­чинам неоднородности частиц груза, перемешивания груза и нерав­номерности загрузки траектория сложнее. Быстроходные шнеки применяют при вертикальном и других направлениях транспорти­рования сыпучих и жидких грузов: зерно, жидкий навоз, кормовые смеси. Для нормальной работы шнека при его проектировании необ­ходимо обеспечить соотношение возможных производительностей: загрузочного — П_з, транспортирующего — П_т и разгрузочного — П_р узлов. При П_з < П_т < П_р производительность шнека П= П_з; в случае П_з > П_т > П_р будет излишнее истирание и дробление груза и даже забивание транспортера. На производительность шнека существенное влияние оказывает схема процесса работы и конструкция узлов. Так, с увеличением частоты вращения n винта создается тормозящее действие на груз и производительности П_з и П_р снижаются, а производительность П_т винта растет. Поэтому в быстроходных шнеках для улучшения загрузки ставят специальные питатели. По принципу действия различают загрузки гравитацион­ные и принудительные. Влияние способа загрузки на про­изводительность показано на рисунке 70, в.

По кинематике потока груза самотечная загрузка и разгрузка разделяются на: осевую — движение груза вдоль оси винта; угловую — груз подается под углом и круговую — достигает­ся расширением загрузочной камеры или погружением винта в транспортируемый груз. Сравнительная оценка формы бункера за­грузочного устройства приведена в таблице 13.

Для лучшего забора груза и снижения начальных сопротивлений делают винты с постепенно нарастающим шагом. Наибольшую производительность разгрузки дают осевая и кру­говая схемы. При угловых конструкциях разгрузочных устройств, и равных площадях сечений кожуха винта и разгрузочного патруб­ка производительность снижается на 6..12%, а мощность повышается на 50% и больше. Из графиков (рис. 70, б) видно, что производительность верти­кального шнека составляет 30...40% от производительности гори­зонтального. Снабжение его круговой камерой загрузки повышает производительность на 6...237о, а при питателе в 1,7...3 раза. Транспортирующая часть шнека состоит из винта и желоба, который в горизонтальных (тихоходных) шнеках бывает откры­тым, а в крутонаклонных и вертикальных (быстроходных) в виде труб. В открытых желобах транспортирование может быть при полностью погруженном шнеке с пассивным слоем над ним, когда коэффициент наполнения больше единицы. Длина транспортиро­вания шнеками до 60 м, а высота до 20 м. Основные параметры шнека. Конструктивные: D — диаметр и S — шаг винта, соотношение между ними ш = S : D и диаметр ва­ла — d; кинематические: частота вращения — n и угловая ско­рость— щ; эксплуатационные: коэффициент производительности k_п и коэффициент трения — f, с увеличением которого производи­тельность снижается; ш = 0,6... 1,25. Выбор больших и меньших значений ш ведет к снижению производительности. Основные параметры для предварительных расчетов приведены в таблице 14.

Из анализа этой таблицы видно, что диаметр винта колеблется в пределах 50...600 мм. В зависимости от рода груза коэффициент производительности для вертикальных шнеков снижается в 2...3 ра­за, частота вращения винта изменяется в пределах 5...1300 об/мин.

Основы теории и расчета

При движении материальной частицы в шнеке на нее действу­ют: сила тяжести массы mg; сила трения о винт f₁mg, увлекаю­щая ее во вращение; давление смежных частиц kf₁mg (здесь k — коэффициент пропорциональности); центробежная сила mщ²r, при­жимающая ее к кожуху; сила трения о кожух   f₂mщ²r, тормозящая вращение частиц вместе с винтом, и силы внутреннего трения час­тиц. Суммарное воздействие этих сил приводит к проскальзыва­нию частицы по винтовой поверхности (щ_м < щ) и осевому смеще­нию ее, т. е. к транспортированию. Работоспособность вертикального шнека обеспечивается при щ > щ^к (угловая скорость винта больше критической). Критические угловые скорости (см. рис. 69, в) для точек А и Б определятся из уравнений равновесия сил в проекции на оси х — х: mg sin б + f₁mg cosб + f₁f₂mщ²R sinб — f₂mщ²R cosб = 0 mg sinб_oc — f₁mg cosб_oc – f₃mщ²r_oc = 0, где f₁, f₂ и f₃ — соответственно коэффициенты трения груза о винт, кожух и груз; r_oc = 0,5d_oc и а_ос — соответственно радиус, диаметр и угол осыпания, при которых транспортирование невозможно.

После преобразования соответственно для наружной точки А и внутренней Б получим

 

Для горизонтального шнека (см. рис. 69, б) критические угло­вые скорости для наружной точки А и внутренней Б будут

 

Рабочая частота вращения винта быстроходных шнеков обычно в несколько раз больше критической n>n_к = 30щ_кр; ее выбирают по таблице 12. Для тихоходных n ≤ A√D, где А = 65...50 — для лег­ких грузов (зерно, сечка, навоз-сыпец) и А = 50...30 для тяжелых (уголь, соль, корнеплоды, минеральные удобрения).

Осевая скорость материала х_s (рис. 71, а) — скорость транс­портирования зависит от окружной скорости х и теоретической осе­вой скорости х_sт; при которой точка А перемещается без вращения. С учетом соотношений х = рDn/60; х_sт = хtgб, х_sт = Sn/60 и на ос­новании графика скоростей

 

Расчеты и опыты показывают, что в зависимости от рода гру­за k_х = 0,9...0,6 — большие значения выбирают для быстроходных шнеков. Производительность теоретическая в общем виде: П_т = 3600гF_сх_s(213) где F_c — площадь поперечного сечения потока; х_s — осевая скорость груза. Процесс транспортирования винтовым транспортером очень сложен, на него влияют: частота вращения n (см. рис. 70, б), причем вначале производительность растет, а затем снижается; угол наклона шнека в (рис. 70, а), с его увеличением производительность уменьшается, что учитывается коэффициентом k_в = 1,0...0,3; устройство и способы загрузки и разгрузки (рис. 70, в), что можно учитывать коэффициентам» k₃=1,0...0,5 и k_р=1,0...0,94. Выразив действительный объем материала на длине одного ша­га V_g = F_cS = k_vV, где V = 0,785(D² — d²_в)S и k_V= 2...0,9 — коэффи­циент использования межвиткового объема, определив и подставив в формулу (213) х_s = k_хх_sт = k_хSn/60 и другие коэффициенты, полу­чим П = 60k₃k_вk_хk_VгVn = 60k_пгVn,  (214) здесь k_п = k_pk_вk_хk_V — дифференциальный коэффициент производи­тельности. Пренебрегая за малостью для начальных расчетов влиянием диаметра вала и учитывая S = шD, получим П = 47kпшD³nг, Откуда

Полученный диаметр винта округляют по ГОСТ и проверяют по соотношению D ≥ (4...10)A, где A — размер куска груза. Для вертикальных шнеков принимают меньшее значение ш и б < ц — угла естественного откоса транспортируемого материала. Повышение эффективности шнеков связано с дальнейшим по­вышением частоты вращения, применением легких материалов и рациональных загрузочных и разгрузочных устройств. Гибкие шнеки отличаются повышенными расходами (в 2...3 ра­за) энергии, истиранием материала и повышенным износом рабо­чих органов. Длина транспортирования по горизонтали 12...15 м и по вертикали 3...4 м. Производительность ограничивается 10... 18 м³/ч. Ее можно определить упрощенно по формуле  

где D = 25...200 мм — диаметр кожуха; d — диаметр пружины, при d : D = 0,75... 0,9. Рекомендуется принимать 1500...500 об/мин, S : d = 0,75...1,4 и б =15...30є.   Определение сопротивлений и мощности Мощность N и удельная энергоемкость N/П зависят от угла наклона шнека в (см. рис. 70, а) и частоты вращения п (см. рис. 70,б). Энергоемкость процесса транспортирования растет с повышением частоты вращения винта и увеличением угла в. Одна­ко повышение эффективности процесса возможно за счет повыше­ния производительности и совершенствования конструкции шнека. В процессе работы шнека расходуется мощность на преодоление сопротивлений: N₁ — на трение груза о желоб; N₂ — на трение груза о винт; N₃ — » » в упорном подшипнике; N₄ — » » в радиальных подшипниках. Сопротивления и мощности, расходуемые на их преодоление, определяют изложенными ранее методами. Тогда полная мощность N = K_и[(N₁+N₂)k + N₃+N₄]/з,  (217) где K_и = 1,05...1,2; в = 1,05...1,4 и з — соответственно коэффициенты преодоления инерции при пуске, сопротивления от перемешивания груза и к. п. д. механизма привода. Для предварительных расчетов мощности шнека пользуются формулой N = kcgП(L+H)щ₀, (218) где с = 1,0...3 при в = 20...90° — коэффициент, учитывающий влияние угла наклона шнека; щ₀ = 1,2...4,0 — коэффициент сопротивления перемещению; для гибких шнеков щ₀ = 7...22 в зависимости от  свойств груза и сложности трассы. Мощность двигателя при коэффициенте перегрузок К₀ = 1,3... 1,5 и коэффициенте полезного действия з = 0,7...0,9 равна N_д = K₀N/з. (219) Желательно устанавливать упорный подшипник качения, снижающий мощность и нагрузку на растяжение вала винта.   Применение винтовых транспортеров Винтовые транспортеры применяют при механизации кормоприготовления, на транспортировании навоза, зернофуражных продук­тов, корнеплодов и сыпучих грузов, в комбайнах и других сельско­хозяйственных машинах. Системой машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства предусмотрено создание легких передвиж­ных, переносных и стационарных транспортеров для складов и эле­ваторов. Шнеки широко применяют при разгрузке железнодорожных ва­гонов (рис. 72,а), на перегрузке зерна (рис. 72,б) и в виде спи­ральных — для протравливания зерна и смешивания кормов (рис. 72, в и г). Их можно применять для транспортирования жидких грузов. На рисунке 72, д показан шнек НШ-50, навешиваемый на трактор МТЗ для выгрузки жидкого навоза, производительностью до 50 т/ч при n = 1000...1400 об/мин. За рубежом шнеки используют в виде универсальных транспор­теров длиной 3...16 м с приводом от электромотора или двигателя внутреннего сгорания производительностью 2...40 т/ч.