15.1. Вопросы для самопроверки

1. Что такое элеваторы и по каким признакам их различают?

2. Как осуществляется загрузка и разгрузка элеваторов?

3. Как производится расчет производительности элеватора?

4. Каковы особенности расчета мощности элеватора?

5. По каким параметрам вспомогательные устройства элеваторы?

Раздел 16. Транспортирующие машины без тягового органа

16.1. Винтовые конвейеры

Винтовые конвейеры могут быть с горизонтальной, наклонной и вертикальной трассами. Наклонные винтовые конвейеры делятся на пологонаклонные и крутонаклонные. К пологонаклонным относятся конвейе­ры, угол наклона которых не превышает угол естественного откоса транс­портируемого груза. Высота подъема груза винтовыми конвейерами дохо­дит до 15 м, производительность - до 50 т/ч.

Преимущества винтовых конвейеров: простота конструкции; на­дежность в эксплуатации; герметичность; небольшие габаритные разме­ры; разгрузка в любом месте.

Недостатки: дополнительное дробление хрупкого груза; повышен­ный расход энергии вследствие трения транспортируемого груза о желоб и лопасти винта; сравнительно небольшая производительность (до 200 т/ч).

Принцип действия винтовых конвейеров основан на использовании осевой движущей силы, возникающей при вращении винтовой поверхности с углом подъема а. Груз перемещается аналогично движению гайки по винту.

Рисунок 16.1. Винтовой конвейер

Винтовой конвейер (рис. 15.1) состоит из неподвижного желоба 7 с полуцилиндрическим днищем, вала 8 с укрепленным на нем винтом 9 и привода 1. Вал установлен в концевых подшипниках 2,6.

Так как вал большой длины, то его выполняют составным, и в местах соединения он поддерживается промежуточными подшипниками 4, подвешенными к поперечным планкам желоба. В одной из концевых опор установлен упорный подшипник, воспринимающий продольные усилия в винте. Желоб закрыт крышкой 3. Насыпной груз подается через люк 5 в крышке и перемещается по желобу к разгрузочным воронкам - промежуточной 10 или концевой 11, прикрытых шиберными затворами.

Желоб состоит из отдельных секций длиной 2 и 4 м, изготовленных из листовой стали толщиной З...6 мм.

Одна из подшипниковых опор должна быть фиксирующей для восприятия осевой нагрузки. Фиксирующую опору следует устанавливать так, чтобы вал винта при восприятии осевой нагрузки работал на растяжение. При длине конвейера больше 6 м во избежание изгиба и стопорения винта рекомендуется использовать промежуточные опоры. Подшипники необходимо защищать от попадания в них частиц груза.

В крутонаклонных и вертикальных конвейерах желоб выполняют из трубы, диаметр которой больше наружного диаметра винта на величину двух зазоров в зависимости от типа груза.

Привод конвейера, в основном, редукторный. У горизонтальных конвейеров он состоит из электродвигателя, редуктора и двух муфт. Привод наклонного конвейера должен выполняться с конической передачей, для обеспечения горизонтального расположения редуктора. Это необходимо для правильного функционирования системы смазки. В легких конвейерах небольшой длины предпочтительнее передачи гибкой связью.

Винтовые конвейеры применяют преимущественно для транспортирования сыпучих грузов. Они малопригодны для перемещения крупнокусковых, липких и влажных грузов.

Преимущество винтовых конвейеров - надежность, простота и компактность, герметичность, пригодность для транспортирования горячих, пылящих и токсичных грузов, возможность загрузки и разгрузки в любом месте по длине трассы. К недостаткам относится высокая энергоемкость транспортирования, дробление и истирание груза.

По направлению транспортирования различают горизонтальные, наклонные и вертикальные винтовые конвейеры.

По конструкции винты (рис. 16.2) подразделяют на сплошные (для сыпучих и жидких грузов), ленточные (для липких, крупнокусковых и сыпучих грузов - при необходимости их перемешивания), лопастные и фасонные (для липких и связных грузов).

Исходными данными для проектирования являются характеристика транспортируемого груза, высота и расстояние его транспортирования, а также производительность конвейера. На основании исходных данных разрабатывается схема конвейера и его элементы конструкции. Определяется угол наклона, количество промежуточных подвесных опор, которые устанавливают через 2..4 м. В качестве промежуточных опор применяют подшипники скольжения и качения с хорошим уплотнением, малого диаметра и длины. Концевые опоры выполняются в виде подшипников качения. При этом опора на разгрузочном конце винта снабжается упорным подшипником так, чтобы винт работал на растяжение.

Рисунок 16.2. Типы лопастных винтов:

а – сплошной; б – ленточный; в – фасонный; г – лопастной; д – степень заполнения желоба

Диаметр винтов D_в горизонтальных и наклонных конвейеров (с углом наклона до 20°) тестированы (ГОСТ 2037-75). Величина выбираемого , зависит от размера кусков перемещаемого груза. Он должен быть в 72 и более раз больше размера кусков при транспортировании однородного по крупности кусков груза и в 4 раза и более, больше максимального размера кусков при транспортировании несортированного груза. Ряды диаметра винтов следующие: 100; 125; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600 мм. Диаметр вала винта принимается d_в≈(0,35...0,l)·D_в, где D_в - диаметр винта, мм. Шаг винта принимают tв = Dв для горизонтальных конвейеров и t_в = 0,8·D_в - для наклонных. Частота вращения винта зависит от вида транспортируемого груза и диаметра винта. Максимальная частота вращения винта определяется по приближенным соотношениям:

для легких неабразивных грузов ;

для тяжелых неабразивных грузов ;

для тяжелых абразивных грузов ;

Здесь D_в в м.

Принятые на практике частоты вращения винта горизонтальных и наклонных конвейеров общего назначения приведены в (табл. 16.1).

Таблица 16.1. Значения частоты вращения винта и коэффициентов и .

Насыпные грузы	Частота вращения винта, n об/мин.	Коэффициент заполнения,	Коэффициент сопротивления,
Легкие и неабразивные (зерновые продукты, мука, древесные опилки)	50. ..5 00	0,4	1,2
Легкие и малоабразивные (мел, угольная пыль, асбест, торф, сода)	50. ..120	0,32	1,6
Тяжелые и малоабразивные (соль, кусковый уголь, глина сухая)	50. ..100	0,25	2,5
Тяжелые и абразивные (цемент, зола, песок, глина сырая, дробленая руда, шлак)	40. ..120	0,125	4,0

Частоты вращения (об/мин), принимаемые для крутонаклонных и вертикальных винтовых конвейеров, как правило, больше, чем у пологонаклонных и горизонтальных и рекомендуется определять в зависимости от диаметра винта (мм):

D_в 150; 250; 400; 500

n 210; 170; 140; 80

От частоты вращения винта зависит также и проекция движения частиц груза. Она может быть колебательной с одновременным осевым перемещением и круговой с одновременным осевым перемещением (спиральной).

В зависимости от этого принято различать тихоходный винтовой конвейер (рис. 16.3, а), частота вращения п которого не превышает критического значения пкр, определенного для каждого диаметра винта и вида груза, и быстроходный (рис. 16.3, б), для которого n >n_кр.

Рисунок 16.3. Траектория движения частицы груза в винтовом конвейере:

а – тихоходном; б – быстроходном

Условием работы винтового конвейера как тихоходного принято считать частоту вращения винта, при которой , быстроходного - (здесь m - масса частицы груза, ω - угловая скорость винта; R - радиус винта). В последнем случае центробежная сила поднимает частицы груза выше вала винта и перебрасывает их. В действительности на частицу груза действуют также силы трения о винт и желоб, тяжести других частиц, давления винтовой поверхности и т.д. В связи с этим условие тихоходности или быстроходности конвейера и действительная траектория движения груза сложнее.

Круговую (быстроходную) траекторию рекомендуется применять в крутонаклонных и вертикальных винтовых конвейерах при транспортировании сыпучих и жидких грузов.

Конструктивные и кинематические параметры винтовых конвейеров взаимосвязаны. При известной производительности Q задают частоту вращения винта n из рекомендуемого для данного груза диапазона, а затем определяют диаметр D_в и, другие параметры винта. Частота вращения ограничивается размерами винта и условием сохранения груза. При большой частоте вращения груз сильно повреждается и стирается, при такой частоте вращения диаметр винта может быть очень большим.

Производительность винтового конвейера, т/ч:

, (16.1)

где D_в - диаметр винта;

- скорость перемещения груза по желобу;

- коэффициент заполнения желоба;

- плотность транспортируемого груза

- коэффициент снижения производительности наклонного

конвейера.

β, град 0 5 10 15 20

1 0,9 0,8 0,7 0,6

Скорость перемещения груза выражается через шаг и частоту вращения винта n:

(16.2)

Подставив (16.2) в (16.1) окончательно получим формулу для определения производительности

, (16.3)

где - отношение шага к диаметру винта.

Диаметр винта из условия заданной производительности

, (16.4)

При транспортировании кусковых грузов диаметр винта должен удовлетворять условию для сортированного, для рядового сыпучего груза.

По условиям сохранности груза и оптимальной энергоемкости частота вращения не должна превышать определенного значения, которое для различных материалов составляет 500...800 об/мин.

При проектировании конвейера по заданной производительности целесообразно сначала найти рекомендуемый диапазон частоты вращения для данного груза (табл. 15.1), а затем определить диаметр винта (формула 15.4).

Другие геометрические параметры конвейера:

шаг винта ;

угол наклона винтовой линии ;

диаметр внутренней поверхности кожуха D_к = D + 2m,

где m - рекомендуемый для данного вида зазор между винтовой поверхностью и кожухом m = 5...8 мм.

диаметр вала винта ,

где - диаметр выходного конца цапфы, получаемый при расчете на кручение.

При изготовлении винтовых конвейеров необходимо рассчитывать размеры развертки винта (рис.16.4):

длина наружной винтовой линии одного витка (в м)

(16.5)

длина внутренней винтовой ли­нии витка (в м)

; (16.6)

внутренний диаметр развертки винта (в м)

; (16.7)

Рисунок 16.4. Развертка винта

Наружный диаметр развертки винта (в м)

(16.8)

Угол выреза β (в град) находится из соотношения

, (16.9)

откуда .

В первом приближении мощность можно определить по формуле:

, (16.10)

где L_г - горизонтальная проекция пути транспортирования груза;

H - высота подъема груза;

К₃ - коэффициент запаса мощности, К3 = 1,1 ... 7,2;

- коэффициент сопротивления движению: = 4 для тяжелых абразивных грузов (цемент, песок, известь и т.п.); = 2,5 для угля, глины сухой, соли; = (1,2... 1,6) для легких насыпных грузов.

Более точно мощность двигателя можно определить, исходя из суммы следующих сопротивлений передвижению груза в конвейере:

- усилие вдоль винта для подъема груза

, (16.11)

где q - погонная масса груза, кг/м;

- угол наклона, конвейера;

- сила трения груза о кожух

, (16.12)

где - коэффициент трения груза о кожух;

- усилие вдоль винта вследствие момента трения винта о груз

, (16.13)

где - коэффициент трения груза о винт;

- усилие, эквивалентное моменту трения в подвесных подшипниках,

, (16.14)

где  = 1250... 1500 Н/м³ - удельное сопротивление передвижению;

- усилие, эквивалентное внутреннему трению в транспортируемом грузе,

, (16.15)

где К₂ - скоростной коэффициент, т.е. отношение средней фактической скорости груза к номинальной, К₂ = 0,6. . .0,7 (по опытным данным);

- усилие, эквивалентное моменту трения в упорных подшипниках,

, (16.16)

где - коэффициент трения груза о подшипник;

- потери на внутреннее трение в порциях груза, скопившегося около подвесных подшипников

, (16.17)

где l - расстояние между подшипниками;

z - число подвесных подшипников;

φ - угол откоса груза;

- коэффициент внутреннего трения груза.

Мощность электродвигателя

, (16.18)

где - скорость перемещения груза;

=1,1…1,2 – коэффициент запаса;

- КПД передач.

Вращающий момент на валу винта

, Нм (16.19)

Диаметр выходного конца цапфы вала винта

, (16.20)

где =15...25 Н/мм² - допустимое напряжение материала цапфы винта.

Общее передаточное число механизма привода

,

где - частота вращения вала электродвигателя, об/мин.

В качестве опор винта используют подшипники качения. Одну из опор выполняют фиксирующей для восприятия осевой нагрузки.

Силы, действующие на подшипник (рис. 16.5): окружная , радиальная , и осевая .

Осевая сила, Н

, (16.21)

где - условный диаметр винта, м;

К' = 0,7...0,8 - коэффициент, учитывающий положение равнодейст­вующей сил сопротивления вращению винта;

- средний угол подъема винтовой линии;

f - угол трения между винтом и грузом.

В общем случае на направление и значение радиальной и окружной сил влияют силы трения груза о винт, кожух, вал винта, но при расчете подшипников вала винта можно принять

, (16.22)

, (16.23)

где

В этом случае силы имеют распределенный характер, но при расчете подшипников их можно считать сосредоточенными в середине длины винта.

Для схемы на (рис. 16.5) опора А - фиксирующая, опора В – плавающая.

Реакции в опорах

, (16.24)

, (16.25)

Рисунок 16.5. Схема сил и реакций в опорах винта

(16.26)

Суммарные реакции в опорах

(16.27)

По суммарным реакциям предварительно выбранные подшипники проверяют на долговечность.

Подшипники целесообразно выбирать по диаметру d_п = d_ц + 5, округляя его до ближайшего числа, кратного 5.