2.7. Ковшовые элеваторы

Ковшовый элеватор (нория) предназначен для непрерывного вертикального или крутонаклонного (более 60˚ к горизонту) транспортирования сыпучих и кусковых грузов специальными ковшами, прикрепленными к ленточному или цепному тяговому органу. Ковшовые элеваторы широко применяются в строительной, химической, пищевой, металлургической, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности для транспортирования цемента, песка, щебня, угля, зерна, химических компонентов, руды, золы, муки и так далее.

Ковшовые элеваторы отличает ряд таких положительных свойств, как компактность при большой высоте транспортирования; достаточная производительность; удовлетворяющая различные виды производств; сохранность груза при транспортировании; надежность в эксплуатации; возможность обеспечить защиту окружающей среды от вредного воздействия транспортируемого материала.

Недостатками ковшовых элеваторов принято считать сравнительную сложность конструкции; необходимость равномерной подачи груза; ударное воздействие на материал; чувствительность к перегрузкам, заключающаяся в отрыве ковшей от тягового органа.

Классификация ковшовых элеваторов представлена в табл. 2.9.

Таблица 2.9

Классификация ковшовых элеваторов

ПРИЗНАК КЛАССИФИКАЦИИ	ХАРАКТЕРИСТИКА КОНВЕЙЕРА
По исполнению	Стационарные Передвижные Встроенные
По углу наклона	Вертикальные Крутонаклонные
По виду грузодержащего органа	Ковшовые для сыпучих грузов Полочные Люлечные для штучных грузов
По типу тягового органа	Ленточные Одноцепные Двухцепные
По скорости тягового органа	Тихоходные до 1,25 м/с Быстроходные – более 1,5 м/с
По расположению ковшей	С расставленными ковшами С сомкнутыми ковшами
По виду разгрузки ковшей	С центробежной разгрузкой С самотечной Со смешанной разгрузкой

Основными параметрами элеваторов являются: производительность П (т/ч, м³/ч, шт/ч); высота элеватора Н ( м ); скорость тягового органа V (м/с); мощность приводного двигателя N (кВт).

Конструкция ковшового элеватора предполагает наличие у него следующих необходимых элементов (рис. 2.23): стального корпуса (шахты) 1, нижняя часть которого заканчивается башмаком 2 с загрузочным лотком 3, а верхняя – оголовком 4 с разгрузочным патрубком 5. В башмаке устанавливается натяжной вал 6 с барабаном или звездочками. В головке устанавливается приводной вал 7 с барабаном (звездочками). Снаружи корпуса на кронштейне размещают приводную станцию, состоящую из двигателя 8, редуктора 9, муфты 10, останова 11. Приводной и натяжной барабаны (звездочки) охватываются лентой (цепями) 12, замкнутыми в кольцо. К ленте (цепям) крепятся ковши13.

Корпус (шахта) элеватора секционный разборный, имеет прямоугольное поперечное сечение, выполняется из стального листа толщиной 1,5…5 мм в зависимости от высоты транспортирования и производительности элеватора (рис. 2.24).

Рис. 2.23. Схема ковшового элеватора

Рис. 2.24. Схема корпуса ковшового элеватора

Низ и верх шахты формируются в виде фланцев, к которым крепятся соответственно башмак и оголовок. К боковым стенкам корпуса крепятся направляющие шины. У крутонаклонных конвейеров шины устанавливаются на всю высоту и служат направляющей опорой для тягового элемента. У вертикальных конвейеров направляющие короткие и служат для ограничения раскачивания тягового органа.

Башмак с загрузочным лотком выполняется сварным из стального листа и служит для размещения транспортируемого материала при загрузке ковшей зачерпыванием и для улавливания материала, который просыпался при разгрузке. Верхняя кромка башмака выполнена в виде фланца для соединения с корпусом. Нижняя часть башмака профилируется в соответствии с траекторией движения передних кромок ковшей при прохождении ими натяжного барабана.

Оголовок с разгрузочным патрубком закрывает верхнюю часть корпуса элеватора, где размещается вал с приводным барабаном (звездочками). Верхняя поверхность оголовка профилируется в соответствии с траекторией движения передних кромок ковшей и траекторией движения материала при их разгрузке. Кромки оголовка и патрубка оформлены под фланцы для крепления к корпусу и к самотечным трубам приемных перегрузочных устройств.

Натяжной вал с барабаном (звездочками) должен иметь ход 200…500 мм. Натяжные устройства в элеваторах могут быть винтовыми, пружинно-винтовыми, рычажно-грузовыми. Натяжные барабаны обычно выполняют с решетчатым ободом для предотвращения налипания на него частиц груза. В двухцепных элеваторах натяжные звездочки крепятся на валу свободно для самоустановки, компенсации неточности изготовления и сборки комплекта приводного вала и цепей.

Приводной барабан элеватора с ленточным тяговым органом должен иметь диаметр в соответствии со скоростью движения и способа разгрузки ковшей, но не менее 120 i_п, где i_п – число прокладок ленты. При цепном тяговом органе число зубьев звездочек z назначают из ряда: 6, 8, 10, 12, 13, 14, 16, 20 и в соответствии с шагом цепи и скоростью движения ковшей. Вал приводного барабана (звездочек) соединяется зубчатой муфтой с выходным валом редуктора приводной станции. Вал приводного барабана (звездочек) обычно размещается по плоскости разъема корпуса и башмака.

Приводная станция устанавливается на специальном кронштейне на корпусе элеватора. Кинематическая схема приводной станции показана на рис. 2.25. Электродвигатель 1 элеватора должен обеспечивать необходимую мощность при ПВ = 100%. По этим условиям выбирают и редуктор 2. Тормоз 3 на приводной станции должен быть автоматическим, нормальнозамкнутым, чтобы исключить обратный ход груженых ковшей при потере питающего напряжения. Если привод имеет червячный редуктор с самотормозящейся парой, то необходимость тормоза отпадает (рис. 2.25,б).

Тяговый орган элеватора может быть ленточным или цепным. В быстроходных элеваторах следует применять ленточные тяговые органы по ГОСТ- 23831 [4] для транспортировки пылевидных или зернистых материалов. Лента должна быть шире ковша на 25…60 мм. Для транспортирования кусковых грузов и в наклонных элеваторах следует применять цепные тяговые органы. Для этих целей используют пластинчатые втулочно-роликовые и втулочно-катковые цепи по ГОСТ - 4267 и ГОСТ – 588 [4].

Рис. 2.25. Кинематические схемы приводных станций: а) с цилиндрическим редуктором; б) с червячным редуктором

Ковши элеваторов изготовляют из листовой стали, пластмассы, резины. Из проволоки выполняют сетчатые ковши для обезвоживания транспортируемого материала. Форму ковшей выбирают в соответствии с транспортируемым материалом (рис. 2.26): глубокие с цилиндрическим днищем – для сухих хорошо сыпучих материалов; мелкие с цилиндрическим днищем – для влажных плохосыпучих материалов; остроугольные – для тяжелых абразивных грузов; специальные жалюзийные ковши – для больших скоростей при транспортировании пылевидных материалов.

Рис. 2.26. Различные виды ковшей: а – мелкие с цилиндрическим днищем; б – глубокие с цилиндрическим днищем; в – остроугольные сомкнутые; г - жалюзийные

Ковши характеризуются следующими параметрами: шириной b, высотой h, вылетом l, углом черпания θ, углом верхней кромки δ, емкостью Q. Ряды емкостей ковшей элеваторов охватывают диапазоны:

• от 0,2 л до 16,8 л - для глубоких ковшей;

• от 0,1 л до 11,5 л - для мелких ковшей;

• от 0,65 л до 7,8 л - для остроугольных ковшей;

• от 6,4 л до 148 л - для специальных ковшей.

Ковши могут крепиться к тяговому органу на некотором расстоянии друг от друга – расставленные ковши. Остроугольные ковши в тихоходных элеваторах крепят без промежутков друг за другом – сомкнутые ковши.

Параметры ковшового элеватора назначают, рассчитывают в зависимости от проектного задания, в котором необходимо указать производительность элеватора П, высоту транспортирования Н, вид перемещаемого груза (насыпную плотность γ , влажность, крупность кусков и т.д.).

Производительность ковшового элеватора и его основные параметры взаимосвязаны выражением

П = 3,6 V Q_к Ψ γ/т, т/ч, (2.37)

где V – скорость движения ковшей, м/с; Q_к – емкость ковшей, л; Ψ – коэффициент заполнения ковшей; γ – насыпная плотность материала, т/м³; т – шаг расстановки ковшей, м.

Скорость движения ковшей V назначается в зависимости от вида транспортируемого материала: для зернистых легкосыпучих материалов V принимают 3…4 м/с; для средне- и крупнокусковых грузов - 0,4…1,0 м/с.

Необходимо учитывать также и характер технологического процесса, в котором участвует элеватор. В зависимости от вида и состояния транспортируемого материала выбирают тип ковшей по ГОСТ - 2036 [4] и определяют погонную вместимость ковшей:

Q / т = П / 3,6 V Ψ γ ( л/м ), (2.38)

соблюдая при этом следующие рекомендации: т ≈ (2,5…3)h; l ≥ k а, где k = 2…2,5 для рядовых и k = 4…5 для сортированных грузов; а – наибольший размер куска. Коэффициент наполнения ковшей Ψ принимают в зависимости от транспортируемого груза 0,4 … 0,85.

Тяговый орган ковшового элеватора должен отвечать условию

F_разр ≥ К_зап F_расч, (2.39)

где F_разр – разрывное усилие ленты или цепи по соответствующему сертификату; К_зап – коэффициент запаса (11…12 для лент, 8…10 для цепей); F_расч, - максимальное расчетное рабочее усилие натяжения тягового органа, которое определяют методом обхода по контуру.

Эпюра натяжений тягового органа вертикального ковшового элеватора имеет вид, показанный на рис. 2.27.

Рис 2.27. Эпюра натяжения тягового органа ковшового элеватора

Минимальное натяжение тягового органа будет в точке 1. Его задают не менее 1000 Н. Усилие в любой другой точке тягового органа можно определить методом его обхода по контуру. Этот метод определяет усилие натяжения тягового органа в каждой его последующей точке как сумму усилия натяжения в предыдущей точке и усилия для преодоления сопротивления тяговому органу на рассматриваемом участке. Усилие для преодоления сопротивлений на участке 1-2 должно быть эквивалентно сумме сопротивлений на зачерпывание транспортируемого груза ковшами, на трение в подшипниках натяжного барабана и на изгиб ленты на нем. Сопротивление на участке 2 – 3 вызвано суммарной силой тяжести груза в ковшах. При цепном тяговом органе должна также учитываться и динамическая составляющая при взаимодействии цепи с ведущей звездочкой:

F_дин = 3F_ц V²/(z²sg), Н, (2.40)

где F_ц – сила тяжести цепного тягового органа с ковшами и грузом; z – число зубьев звездочки; s – шаг цепи.

Максимальное усилие натяжения тягового органа F_мах будет в точке 3. Усилие в точке 4 можно определить как F₄ = F₁ + F_хв, где F_хв – сила тяжести холостой ветви тягового органа с ковшами.

Тяговая способность барабана элеватора с ленточным тяговым органом должна обеспечивать движение ленты без проскальзывания на барабане. Это требование обеспечивается при выполнении условия

F_мах < F₄ · е , (2.41)

где μ – коэффициент трения ленты по барабану; – угол охвата лентой тягового барабана. Для элеваторов обычно = π. Если это условие не выполняется, необходимо увеличить минимальное натяжение тягового органа в точке 1. При невозможности это сделать следует увеличить сцепление ленты с барабаном путем футеровки барабана материалом с большим коэффициентом трения по ленте.

Окружное усилие на ведущем барабане (звездочке) будет равно

F_окр = F₃ - F₄ . (2.42)

Мощность двигателя для элеватора может быть подсчитана по формуле

N_дв = F_окр V /η, (2.43)

где η – КПД привода.

Вид разгрузки ковшового элеватора зависит от соотношения полюсного расстояния h_п и радиуса ведущего барабана r (звездочки), (рис. 2.28).

Рис. 2.28. Схемы сил, действующих на транспортируемый материал при центробежной (а), самотечной (в) и смешанной (с) разгрузке

Полюсное расстояние можно вычислить по формуле

h_п = g L²/V² , м. (2.44)

При h_п > r наблюдается самотечная разгрузка; при h_п < r – центробежная разгрузка; при h_п = r – смешанная разгрузка.

Более подробно теоретические сведения по элеваторам изложены в [3, с. 448…456; 4, с. 129…137].