04 февраля 2016г.
Затарочные устройства с винтовым питателем имеют широкое распространение на предприятиях, занятых производством, хранением и переработкой сыпучих грузов. В таких устройствах выпуск (дозирование) сыпучего груза осуществляется за счёт вращения транспортирующего органа, выполненного в виде шнека или цилиндрической спирали (пружины).
Достоинствами всех типов затарочных устройств с винтовым питателем являются простота конструкции и обслуживания, высокая производительность и надёжность работы при малых габаритах, отсутствие возможности закупоривания дозирующих патрубков.
К недостаткам относятся непостоянство величины производительности рабочего процесса, наличие застойной зоны сыпучего груза в полости накопительного бункера, высокий износ транспортирующих органов и рабочих органов сводообрушителей [1].
Рассмотрим особенности конструкции и рабочего процесса типового затарочного устройства с винтовым питателем (Рисунок 1).
Рис.1. Конструктивно-технологическая схема типового затарочного устройства с винтовым питателем:
1 - накопительный бункер; 2 - транспортирующий орган (шнек); 3 - дозирующий патрубок.
При работе затарочного устройства сыпучий груз, поступающий из накопительного бункера 1, захватывается винтовой поверхностью транспортирующего органа 2 (шнек или цилиндрическая спираль) и продольно перемещается в полости дозирующего патрубка 3, а затем загружается в тару.
Скорость продольного поступательного движения сыпучего груза в полости дозирующего патрубка, м/с
где nш – частота вращения транспортирующего органа, об/мин;
Vвит – скорость поступательного движения витков транспортирующего органа, м/с;
K0 – коэффициент осевого отставания скорости продольного перемещения сыпучего груза от величины Vвит . Для шнека K 0 = 1. Для винтовой спирали K0 = 0.8 ÷ 0.9 ;S – шаг витков транспортирующего органа, м
S = (0.8
÷1)DП ,
здесь DП – внутренний диаметр патрубка, м.
Производительность затарочного устройства с винтовым питателем на установившемся режиме, т/ч
где ρ – плотность сыпучего груза, кг/м3;
Kз – коэффициент заполнения загрузочного патрубка, Kз = 0,6 ÷ 0.9;
î – коэффициент, учитывающий равномерность поступления сыпучего груза в зону приёма винтового питателя, î=0,8 ÷1.
Фактическая производительность рабочего процесса не является величиной постоянной, а колеблется около технологически
установленного значения QЗ.У , определяемого
по формуле (2). В технических характеристиках затарочных устройств указывается среднее значение производительности рабочего процесса.
Отклонение фактических (действительных) значений расхода сыпучего груза от среднего значения производительности рабочего процесса принято называть неравномерностью выпуска сыпучего груза. Неравномерность выпуска характеризуется коэффициентом вариации
ν и выражается в процентах [2].
Допускаемое значение
í зависит от номинальной массы сыпучего груза в
таре и регламентируется техническими
требованиями
конкретного производства. Эксплуатируемые в настоящее время
затарочные устройства имеют сложную конструкцию и сложное управление работой. При этом величина í непостоянна и может достигать
больших значений
(20% и более).
Это затрудняет процесс
дозирования ввиду трудности обеспечения требуемой массы дозы.
Неравномерность выпуска сыпучих грузов является следствием особенности их физико-механических свойств, а также несовершенства конструкции затарочных устройств.
Одним из способов борьбы с неравномерностью выпуска сыпучего груза в затарочных устройствах с винтовым питателем является совершенствование конструкции шнеков. Действительно, шнек, являясь транспортирующим органом, определяет характер движения сыпучего груза в полости дозирующего патрубка, а, следовательно, и характер последующей подачи сыпучего груза в тару.
Шнек традиционной конструкции имеет цилиндрическую форму с постоянной величиной шага витков. В целях уменьшения неравномерности выпуска сыпучего груза применяются следующие конструкции усовершенствованных шнеков: шнеки цилиндрической и конической формы с уменьшающимся шагом витков в направление транспортирования груза (Рисунок 2а, б); шнек ступенчатый цилиндрический с постоянным шагом витком (Рисунок 2в).
Рис.2. Усовершенствованные конструкции шнеков: а, б – шнеки цилиндрической и конической формы с уменьшающимся шагом витков в направление транспортирования груза; в – шнек ступенчатый цилиндрический с постоянным шагом витков.
По мнению изобретателей таких шнеков, снижение неравномерности выпуска сыпучего груза при работе затарочных устройств достигается за счёт лучшего заполнения сыпучим грузом внутреннего объёма дозирующих патрубков [3, 4, 5].
Однако опыт эксплуатации затарочных устройств с усовершенствованными конструкциями шнеков показывает лишь незначительное (не более 5 %) уменьшение величины коэффициента вариации
í при той же интенсивности абразивного износа витков шнека. Кроме того, изготовление описанных конструкций
шнеков
достаточно трудоёмко и требует специального оборудования. Указанные обстоятельства препятствуют широкому применению приведённых конструкций шнеков.
В последнее время на предприятиях, занятых производством, хранением и переработкой сыпучих грузов, отмечаются тенденции полного отказа от использования шнеков. Всё большее распространение в качестве транспортирующих органов находят цилиндрические спирали. Их применение не способствует снижению неравномерности выпуска сыпучего груза. Однако, обладая практически одинаковой со шнеком производительностью рабочего процесса, цилиндрическая спираль имеет важные достоинства – простота конструкции и изготовления. Это позволяет широко использовать её в качестве транспортирующего органа во многих технологических машинах, и в том числе в затарочных устройствах сыпучих грузов.
Основной технологической причиной колебания производительности рабочего процесса затарочных устройств с винтовым питателем является нерациональная форма истечения сыпучего груза из накопительного бункера.
При работе таких затарочных устройств устойчивое движение сыпучего груза в полости накопительного бункера происходит только в зоне вертикального столба, располагающегося над небольшой частью выпускного отверстия вблизи стенки, противоположной той, на которой установлен дозирующий патрубок. При этом на свободной поверхности груза, над столбом истечения, образуется конусная воронка.
Бо'льшая часть сыпучего груза в накопительном бункере остаётся неподвижной, образуя так называемую застойную зону.
Образование вертикального столба истечения и неподвижной (застойной) зоны сыпучего груза в полости накопительного бункера является следствием конструктивных и технологических особенностей рассматриваемого типа затарочных устройств.
Как известно, основным условием эффективной работы любого типа затарочных устройств, в том числе с винтовым питателем, является выполнение равенства [6]:
QЗ.У = QБУН , (3)
где QБУН – расход сыпучего груза из накопительного бункера за единицу времени при свободном истечении без питателя, т/ч.
В эксплуатируемых в настоящее время затарочных устройствах выпуск сыпучего груза из накопительного бункера и работа винтового питателя имеют слабо согласованный характер. Равенство (3) не выполняется, поскольку величина QБУН во много раз превышает максимально возможное значение производительности QЗ.У затарочного устройства.
В
результате, средняя скорость истечения сыпучего
груза из накопительного бункера снижается, а в полости накопительного бункера формируется вертикальный столб истечения и неподвижная (застойная) зона (см. Рисунок 1). При этом, поступление сыпучего груза к виткам транспортирующего органа имеет нестабильный характер.
Уменьшение конструктивно установленной площади выпускного отверстия накопительного бункера до эффективной можно объяснить следующим образом.
При вращении транспортирующего органа часть сыпучего груза, продольно перемещаемого его витками, не попадает в приёмное отверстие дозирующего патрубка, а напрессовывается на ближайшую стенку накопительного бункера, образуя арку. Формированию арки над транспортирующим органом также способствуют центробежные силы инерции, которые при работе затарочного устройства забрасывают сыпучий груз из межвиткового пространства транспортирующего органа обратно в полость накопительного бункера.
На образовавшуюся таким образом арку налипает сыпучий груз, поступающий из накопительного бункера. В результате эффективная площадь выпускного отверстия накопительного бункера уменьшается, а над витками транспортирующего органа образуется застойная зона сыпучего груза.
Для устранения застойных зон, снижения неравномерности выпуска сыпучего груза и увеличения эффективной площади выпускного отверстия накопительного бункера, применяют различные конструкции сводообрушителей, которые оказывают силовое воздействие на сыпучий груз [1].
По принципу действия, сводообрушители, как известно, подразделяются на пневматические (псевдоожижают сыпучий груз), вибрационные (улучшают взаимную подвижность частиц) и механические (разрыхляют сыпучий груз).
Независимо от используемого типа сводообрушителей, применение их в затарочных устройствах не является в полной мере результативным. Сводообрушитель, воздействуя на сыпучий груз в полости накопительного бункера, не устраняет причины образования описанных выше
негативных явлений, а лишь улучшает взаимную подвижность частиц в зоне столба истечения. При недостаточном силовом воздействии в полости накопительного бункера формируется статический свод.
Наиболее предпочтительными для эксплуатации являются сводообрушители, имеющие механический принцип действия. Они имеют достаточно простую конструкцию, а их рабочие органы способны разрыхлять и восстанавливать сыпучесть даже сильно слежавшихся грузов. Однако это сопряжено с чрезмерными затратами энергии и необоснованно высоким износом рабочих органов сводообрушителей. По мнению авторов статьи, указанные недостатки могут быть сведены к минимуму за счёт выбора рационального варианта силового воздействия на сыпучий груз. Для этого требуется проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Таким образом, проведённый анализ работы затарочных устройств с винтовым питателем выявил ряд серьёзных недостатков, снижающих эффективность их эксплуатации. Существующие в настоящее время научные теории и инженерные принципы пока не в состоянии решить эти проблемы.
Перспективными направлениями совершенствования затарочных устройств рассматриваемого типа являются:
-
упрощение конструкции транспортирующего органа за счёт использования для этой цели винтовой спирали;
-
выбор рациональных конструктивных и режимных параметров механических сводообрушителей, при которых энергозатраты, связанные с работой затарочных устройств, будут иметь минимальные значения.
Список литературы
1.
Дудкин Е.П., Побежимов Н.Ф., Алексеев А.В. Исследование причин нестабильной работы устройств для заполнения сыпучих грузов в тару // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2005. Специальный выпуск. С. 215-221.
2.
Дудкин Е.П., Алексеев А.В. Повышение точности дозирования сыпучих грузов в тару. // Транспорт: наука, техника, управление, 2011. №. 11. – С. 36–41.
3.
Заявка OS 3520492 ФРГ МКИ 4 В65 3/17 Устройство для затаривания в клапанные мешки, в частности, порошкообразного материала. Заявлено 10.11.85, опубл. 11.12.86 Бюл № 50.
4.
Заявка 2463722 Франция МКИ В65 3/04, 39/12 Машина для затаривания сыпучих материалов в мешки с клапаном. / Морет Дж. (Франция). Заявлено 01.08.80, опубл. 03.04.81, Бюл. № 14.
5. Патент 2025425 Россия МКИ В65 G53/48 Пневматический питатель для транспортирования увлажнённого сыпучего материала./ Морозов А. Д., Крикун Ю. А. (Россия). Заявлено 24.05.91, опубл.30.12.94, Бюл №24.
6. Алфёров К.В., Зенков Р.Л. Бункерные установки. Проектирование, расчёт, эксплуатация. – М.: Машгиз,1955. – 380с.
