Обгрунтування конструкційно-технологічних параметрів трубчасто-гребневого живильника для траспортування сипких матеріалів у змішувальних комплексах

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню завдань транспортування сипких матеріалів, що використовують у різних галузях промисловості. Актуальність зумовлена необхідністю зменшити кількість пульсацій на виході транспортувального елемента, що зокрема, уможливить збільшити однорідність багатокомпонентних сумішей та знизити тертя сипкого матеріалу під час транспортування в системах, що використовують у приготуванні багатокомпонентних сумішей. Також невід’ємною частиною роботи є зниження вартості на виготовлення деталей живильників шляхом виготовлення деталей за допомогою технології 3D-друку. Метою дисертаційної роботи є обґрунтування конструктивних та технологічних параметрів трубчасто-гребневих живильників у змішувальних комплексах для покращення процесу транспортування сипких матеріалів, шляхом зменшенням пульсацій, керування швидкістю сипкого матеріалу на виході з живильника та зменшення тертя в робочій зоні живильника. Для досягнення поставленої мети у роботі вирішувалися такі завдання: – проведення аналізу існуючих конструкцій живильників безперервноїдії, їхні особливості, переваги та недоліки, принципи їх роботи; – розроблення конструкції живильника з керованою продуктивністю ізвикористанням технологій 3D-друку, що має покращену згладжувальну здатність при транспортуванні сипких матеріалів, зменшенням тертя сипкого матеріалу в транспортуючій робочій зоні живильника; – створення та дослідження математичних моделей руху сипкого матеріалу у шнекових живильниках з керованими параметрами режимів роботи; – розроблення рекомендацій та підходу щодо проєктування обладнання запропонованої конструкції. Об’єкт дослідження: процес безперервного транспортування сипких матеріалів у змішувальних комплексах із безперервним режимом роботи. Предмет дослідження: трубчасто-гребневий живильник безперервної дії для транспортування сипких матеріалів; визначення його робочих характеристик та впливу на процес транспортування матеріалів під час різних режимів роботи. Наукова новизна роботи полягає у дослідженні руху сипких матеріалів в живильнику змішувального комплексу за допомогою, аналітичного та експериментального підходу. Вирішена важлива науково-технічна проблема: розроблено трубно-гребеневий живильник, що забезпечує регульований потік сипкого матеріалу з необхідними технологічними параметрами та властивостями, а також інженерний метод розрахунку. При цьому вперше: • створено математичні моделі процесу транспортування сипких матеріалів у трубчасто-гребневому живильнику, які уможливили прогнозування поведінки сипких матеріалів у системі, враховуючи різні параметри, такі як величина частинок, їх концентрація, властивості середовища та геометрія живильника; • аналітично обґрунтовано можливість зменшення пульсацій на виході з живильника через розміщення гребнів на стінках труби. Цей вибір здійснено на основі аналізу механічних сил, що діють на частинки сипкого матеріалу та створення ефективних умов для їх руху; • запропоновані системи автоматичного керування технологічними параметрами руху сипучих матеріалів у трубчастих живильниках, що передбачають мікроконтролерне керування швидкістю обертів транспортувального елемента зі зворотним зв’язком та вимірюванням продуктивності. Доведені переваги використання трубчасто-гребневого живильника: • за допомогою МДЕ створено моделі, що дають можливість розраховувати циркуляцію матеріалу, час перебування частинок всередині обладнання та досліджувати ефект сегрегації. Величина пульсацій матеріалу у шнековому живильнику значно більша ніж у трубчасто-гребеневому. Цей висновок підтверджується величинами середньоквадратичних відхилень і дисперсій, зокрема, середньоквадратичне відхилення для шнекового живильника у 7,3 раза більше при швидкості обертання 6 рад/с та у 16,4 раза більше при 10 рад/с. На практиці це означає, що використання трубчасто-гребневого живильника в змішувальних комплексах дає можливість досягти більшої однорідності сипких сумішей; • аналітично та експериментально доведено збільшену енергоефективність трубчасто-гребневого живильника. Різниця становить більш ніж у два рази між енергозатратами на переміщення сипкого матеріалу у шнековому та трубчасто-гребневого живильниках. Це викликано передусім унаслідок відмінностей характеру руху сипкого матеріалу. У шнековому живильнику частинки продавлюються уперед тим самим викликають додаткове тертя між робочими елементами, також додаткове тертя створюється шляхом взаємодії труби та шнека, що в ній обертається тоді, як у трубчасто-гребеневому живильнику такі недоліки відсутні. Практичне значення дисертаційної роботи полягає в тому, що на основі проведених досліджень: – розроблено новий живильник безперервної дії з підвищеними згладжувальною здатністю і можливістю керування продуктивністю; – розроблено алгоритм проєктування нових живильників безперервної дії з використанням методу дискретних елементів, який дає змогу оцінити вплив сил на процес руху сипких матеріалів у робочих елементах живильника; – розроблені алгоритми та програми для проєктування та виготовлення бункерів та живильників для сипучих матеріалів із використанням 3D-друку; – результати досліджень упроваджено в освітній процес підготовки фахівців за спеціальністю 141 – "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка", за освітньою програмою "Електромеханіка" та 133 – "Галузеве машинобудування", за освітньою програмою "Прикладна механіка" на кафедрах комп’ютерної інженерії та електромеханіки та механічної інженерії КНУТД. У першому розділі розглянуто властивості сипких матеріалів та їх вплив на процес транспортування. Проведено огляд існуючих живильників у "ЗК" для сипких матеріалів та їхніх характеристик. Також проаналізовано сучасні методи моделювання процесів руху сипких матеріалів у живильниках безперервної дії. Детально описано методи визначення параметрів руху матеріалу в елементах змішувальних комплексів, а також розглянуто використання методу дискретних елементів для дослідження руху сипких матеріалів. Зроблено теоретичні висновки щодо проблематики транспортування сипких матеріалів. У другому розділі здійснено дослідження моделювання руху сипкого матеріалу в трубчасто-гребневому живильнику. Проведено аналіз впливу кута нахилу гребнів та початку руху на величину підйомно-рушійної сили, що виникає у трубчасто-гребневому живильнику. Визначено критичну частоту обертання робочого елемента живильника, яка є необхідною для коректної роботи живильника під час роботи. Оцінено енерговитрати трубчасто-гребневого живильника та розглянуто конструктивні параметри, що впливають на його продуктивність. Також розглянуто роботу систем керування транпортувальним обладнанням безперервної дії, з використанням "ПІ" та "ПІД" регуляторів. У третьому розділі описано експериментальні дослідження руху сипких матеріалів у трубчасто-гребневому живильнику. Розглянуто засоби та методи, які використовуються для проведення експериментальних досліджень. Подано детальний опис експериментальної установки, зокрема вибір робочого середовища для проведення експериментів. Окремо досліджено потужність, що споживається трубчасто-гребневим живильником під час різних режимів роботи, та порівняння його енергозатрат з шнековим. Розглянуто вплив форми бункера на характер протікання порошкових сипких матеріалів. Також проаналізовано характер руху сипких матеріалів у шнекових та трубчасто-гребневих живильниках. Отримані результати експериментів дають змогу глибше зрозуміти поведінку матеріалів у різних умовах і визначити ключові чинники, що впливають на якість транспортування сипких матеріалів у трубчасто-гребневих живильниках. У четвертому розділі проаналізовано практичне використання результатів наукових досліджень для розробки та впровадження трубчасто-гребневого живильника безперервної дії. Розглянуто загальні принципи проєктування цього типу живильника, які ґрунтуються на результатах експериментальних та теоретичних досліджень. Запропоновано рекомендації щодо керування вхідним ШІМ-сигналом двигуна, що дає можливість збільшити коефіцієнт корисної дії живильника та забезпечити стабільне транспортування сипких матеріалів. Визначено критерії вибору матеріалу для виготовлення деталей живильника. Розроблено алгоритм розробки та виготовлення деталей трубчасто-гребневого живильника, що охоплює всі етапи від проєктування до фінального виготовлення. Цей алгоритм дає змогу організувати процес виробництва та забезпечити високу якість готових виробів.

The dissertation is dedicated to solving the problem of transporting bulk materials used in various industries. The relevance is due to the need to reduce the number of pulsations at the output of the transporting unit, which, in turn, will increase the homogeneity of multicomponent mixtures and reduce the friction of the bulk material during transportation in systems based on the preparation of multicomponent mixtures. An integral part of the work is also reducing the cost of manufacturing feeder parts through 3D printing technology. The aim of the dissertation is to justify the structural and technological parameters of tubular-crest feeders in mixing complexes to improve the transportation process of bulk materials by reducing pulsations, controlling the speed of bulk material at the feeder output, and reducing friction in the working area of the feeder. To achieve this goal, the following tasks were solved: – Analysis of existing designs of continuous feeders, their features, advantages and disadvantages, principles of operation; – Development of a feeder design with controlled productivity using 3D printing technologies, which has improved smoothing capacity during the transportation of bulk media, reducing friction of bulk material in the transport working area of the feeder; – Creation and study of mathematical models of bulk material movement in screw feeders with controlled operating parameters; – Development of recommendations and approaches for designing equipment of the proposed design. Object of research: the process of continuous transportation of bulk materials in mixing complexes with continuous operation. Subject of research: tubular-crest continuous feeder for transporting bulk media; determination of its operational characteristics and impact on the transportation process of materials under different operating modes. The study of the movement of bulk media in the feeder of the mixing complex through analytical and experimental approaches, solving an important scientific and technical problem of developing a tubular-crest feeder that provides a regulated material flow with necessary technological parameters and properties, as well as an engineering calculation method. For the first time: – Mathematical models of the transportation process of bulk media in a tubular-crest feeder have been created, allowing the prediction of the behavior of bulk materials in the system, considering various parameters such as particle size, their concentration, media properties, and feeder geometry; – Analytically substantiated the possibility of reducing pulsations at the feeder output by placing crests on the pipe walls. This choice is based on the analysis of mechanical forces acting on bulk media particles and creating effective conditions for their movement; – Proposed automatic control systems for technological parameters of bulk material movement in tubular feeders, which provide microcontroller control of the rotating speed of the transporting unit with feedback and productivity measurement. Proven advantages of using the tubular-crest feeder: – Using the Discrete Element Method (DEM), models were created that allow calculating material circulation, the time particles spend inside the equipment, and studying the segregation effect. The magnitude of material pulsations in the screw feeder is significantly higher than in the tubular-crest feeder. This conclusion is confirmed by the values of standard deviations and dispersions, in particular, the standard deviation for the screw feeder is 7.3 times higher at a rotation speed of 6 rad/s and 16.4 times higher at 10 rad/s. In practice, this means that using the tubular-crest feeder in mixing complexes allows achieving greater homogeneity of bulk mixtures. – Analytical and experimental evidence of increased energy efficiency of the tubular-crest feeder. The difference is more than two times between the energy consumption for moving bulk material in screw and tubular-crest feeders. This is primarily due to the differences in the nature of bulk material movement. In the screw feeder, particles are pushed forward, causing additional friction between the working units, and additional friction is created due to the interaction between the pipe and the screw rotating inside it, whereas such disadvantages are absent in the tubular-crest feeder. Practical significance of the dissertation: – Based on the conducted research, a new continuous feeder with improved smoothing capacity and the ability to control productivity has been developed; – Developed an algorithm for designing new continuous feeders using the Discrete Element Method, allowing the assessment of the impact of forces on the movement process of bulk media in the working units of the feeder; – Developed algorithms and programs for designing and manufacturing bunkers and feeders for bulk materials using 3D-printing; – The research results have been implemented in the educational process for training specialists in specialty 141 – Electrical Power Engineering, Electrical Engineering, and Electromechanics, in the educational program "Electromechanics" and 133 – Industrial Engineering, in the educational program "Applied Mechanics" at the departments of computer engineering and electromechanics and mechanical engineering of KNUTD. In the first chapter, the properties of bulk materials and their impact on the transportation process are considered. A review of existing feeders in "ZK" for bulk materials and their characteristics is conducted. Modern methods of modeling the movement processes of bulk materials in continuous feeders are analyzed. Methods for determining the parameters of material movement in the elements of mixing complexes are described in detail, and the use of the Discrete Element Method for studying the movement of bulk media is considered. Theoretical conclusions regarding the transportation of bulk materials are made. In the second chapter, the modeling of bulk material movement in a tubular-crest feeder is studied. The impact of the angle of inclination of the crests and the beginning of movement on the lifting and driving force arising in the tubular-crest feeder is analyzed. The critical rotation frequency of the feeder's working unit necessary for the feeder's correct operation during work is determined. The energy consumption of the tubular-crest feeder is evaluated, and the structural parameters affecting its productivity are considered. The work of continuous transportation equipment control systems using "PI" and "PID" regulators is also examined. In the third chapter, experimental studies of bulk material movement in a tubular-crest feeder are described. The means and methods used for conducting experimental studies are considered. A detailed description of the experimental setup is provided, including the selection of the working environment for conducting experiments. The power consumed by the tubular-crest feeder under different operating modes and a comparison of its energy consumption with a screw feeder are separately studied. The impact of the bunker's shape on the flow characteristics of powder bulk materials is examined. The movement characteristics of bulk materials in screw and tubular-crest feeders are also analyzed. The obtained experimental results allow a deeper understanding of material behavior under different conditions and the identification of key factors affecting the quality of bulk material transportation in tubular-crest feeders. In the fourth chapter, the practical use of scientific research results for the development and implementation of a continuous tubular-crest feeder is considered. General principles of designing this type of feeder based on the results of experimental and theoretical studies are examined. Recommendations for controlling the input PWM signal of the engine, allowing for increased feeder efficiency and stable transportation of bulk materials, are proposed. Criteria for selecting materials for manufacturing feeder parts are determined. An algorithm for developing and manufacturing parts of the "tubular-crest" feeder, including all stages from design to final manufacturing, is developed. This algorithm allows for the efficient organization of the production process and ensures high quality of finished products.