Содержание к диссертации
Введение
1. Научные основы пневматического транспортирования материала 8
1.1. Анализ движения газов в каналах 8
1.2. Взаимодействие воздушного потока и транспортируемых частиц 12
1.3. Силы, действующие на частицу при столкновении ее с другой частицей или со стенкой трубопровода 16
1.4. Потери давления воздуха и сила лобового давления при транспортировании материала 19
1.5. Методы математического моделирования процесса транспортирования материала 23
1.6. Обсуждение результатов обзора литературы, цель и задачи исследования 26
2. Теоретическое исследование и математическое описание процесса пневматического транспортирования . 28
2.1. Математическое описание процесса движения частиц в воздушном потоке 28
2.2. Динамические процессы при ударе транспортируемых частиц 33
2.3. Математическое выражение процесса вращения частицы при скачкообразном движении и воздушном потоке 42
2.4. Обсуждение результатов теоретического исследования 44
3. Методика экспериментального определения коэффициентов математической модели и производственных исследовании 47
3.1. Определение профиля воздушного потока поперечном сечении трубопровода 47
3.2. Определение подъемной силы,действующей на частицу от профиля воздушного потока 48
3.3. Экспериментальное определение коэффициента сухого трения 50
3.4. Исследование процесса вращения частиц транспортируемого материала 53
3.5. Определение подъемной силы при вращении транспортируемой частицы 55
3.6. Определение коэффициента упругости частицы 57
3.7. Определение скорости движения частицы транспортируемого материала 58
3.8. Определение физико-механических свойств транспортируемого материала 61
3.9. Производственная проверка результатов моделирования процесса пневматического транспортирования зерна 62
3.10.Общая методика обработки экспериментальных данных 65
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 67
4.1. Профили скоростей воздушного потока в трубопроводе . 67
4.2. Подъемная сила, действующая на транспортируемую частицу . 74
4.3. Коэффициент сухого трения . 81
4.4. Результаты экспериментального исследования процесса вращения-частицы в момент удара 83
4.5. Подъемная сила, возникающая за счет вращения частицы 86
4.6. Коэффициент упругости частицы 89
4.7. Обсуждение результатов экспериментального исследования 90
5. Моделирования процесса пневматического транс портирования зерна на аналоговых вычислительных машинах 92
5.1. Функциональные электронные схемы математической модели процесса 92
5.2. Моделирования процесса пневматического транспортирования зерна и анализ полученных осциллограмм . 105
5.3. Результаты моделирования процесса транспортирования зерна воздушным потоком 111
5.4. Обсуждение результатов моделирования процесса пневматического транспортирования зерна 120
5.5. Производственная проверка овального трубопровода 123
5.6. Расчет экономической эффективности 125
Выводы 129
Литература 131
Приложения 140
- Взаимодействие воздушного потока и транспортируемых частиц
- Математическое описание процесса движения частиц в воздушном потоке
- Определение подъемной силы,действующей на частицу от профиля воздушного потока
- Подъемная сила, действующая на транспортируемую частицу
Введение к работе
Актуальность темы. Решениями ХХУІ съезда КПСС предусмотрено дальнейшее увеличение производительности труда в колхозах и совхозах. Достижение этой цели возможно при комплексной механизации, электрификации и автоматизации рабочих процессов сельскохозяйственного производства.
На перемещение сельскохозяйзтвенных грузов в настоящее время затрачивается большое количество энергии и средств, поэтому поиск новых эффективных средств транспортирования является весьма актуальной задачей. Особое значение приобретает применение в технологических линиях переработки сельскохозяйственных продуктов, а также в системах раздачи корма животным и птице - средств пневматического транспортирования. Применение пневмотранспорта позволяет ускорить технологические процессы, снизить потери при транспортировании, упрощает автоматическое управление процессом. Все это положительно сказывается на себестоимости сельскохозяйственной продукции, повышении ее качества.
К положительным свойствам пневмотранспорта следует отнести его долговечность, сравнительно низкую стоимость, простоту конструкции. Его можно использовать как в качестве стационарных, так и передвижных транспортных систем. Простота конструкции позволяет сравнительно легко переносить пневматические системы транспортирования с одного места на другое.
Наиболее широко пневматический транспорт в сельскохозяйственном производстве применяют в технологических линиях обработки и складирования зерна, а также на животноводческих фермах и в кормоцехах. Большой вклад в развитие теории и техники пневматического транспортирования материалов внесли ученые: М.П.Калинушкин, А.М.Дзядзио, А.С.Кеммер, В.С.Пальцев, Т.Вельшоф, В.П.Коцюба, А.Н.Корн и многие другие исследователи. Однако, сложность процесса, зависимость его от многих факторов, обусловленных воздействием как режимов транспортирования, так и свойствами перемещаемого материала, не позволяют еще в настоящее время на основе имеющегося материала дать полное математическое описание процесса транспортирования сыпучих материалов воздушным потоком. Недостаточно выявлена физическая сущность процесса пяев-мотранспортирования. Отсутствуют конкретные рекомендации и методики по определению оптимальных параметров транспортеров и режимов транспортирования.
Цель исследования - разработка математической модели процесса пневмотранспортирования зерна реализуемой на аналоговых вычислительных машинах и позволяющей в широких пределах исследовать технические параметры и режимы работы пневмотранспортных устройств.
Научная новизна работы состоит в том, что в результате теоретического и экспериментального исследования профиля воздушного потока в трубопроводе и связанной с ним подъемной силы, а также влияния на эту силу вращения частицы в процессе транспортирования, составлена математическая модель процесса в виде системы дифференциальных уравнений и решена математическая модель на вычислительных машинах (ВМ). Моделирование процесса пневматического транспортирования на ВМ позволяет без проведения трудоемких и дорогостоящих экспериментов определить оптимальные режимы транспортирования и конструктивные параметры пневмотранспортеров. Методика исследования. На ОСЯОЕЄ теоретического анализа процесса транспортирования сыпучих сельскохозяйственных продуктов в воздушном потоке составлена система дифференциальных уравнений с учетом влияния на траекторию движения частицы таких факторов, как сила трения, скорость вращения частицы, сила воздействия окружающей среды и др. Экспериментально определены значения некоторых коэффициентов, входящих в данные уравнения. Составлена схема моделирования процесса пневматического транспортирования материалов на АВМ. Модель реализована на АВМ типа МН-7М. Полученные результаты моделирования проверены экспериментально в производственных условиях. Проведен экономический анализ и выявлена эффективность выполненной работы.
Практическая ценность и реализация результатов исследования. Предложенная математическая модель позволяет исследовать процесс пневматического транспортирования сыпучих материалов в широких пределах, моделируя его на АВМ, что сокращает объем экспериментальных исследований при оптимизации режимов работы и конструктивных параметров пневматических устройств. По результатам моделирования сконструирован трубопровод овального сечения с оптимальными параметрами для пневмотранспортера ТЗП-7А. Экономический эффект внедрения овального трубопровода при 22$-ной использовании годового календарного фонда Еремени по сравнению с круглым трубопроводом одинаково сечения составляет 240,0 руб на один транспортер. Применение пневматического транспортера с овальным трубопроводом включен© в план внедрения новой техники Капсукского районного управления сельского хозяйства ЛитССР. Разработанная модель исследования процесса пневматического транспортирования на аналоговых вычислительных машинах используется в Каунасском политехническом институте им А,Сяечкуса при разработке пневматической системы очистки воздуха от примесей.
Автор выносит на защиту:
- разработанную модель аналитического определения оптимальных режимов пневматического транспортирования материала в воздушном потоке и оптимальных параметров пневматических транспортеров;
- результаты теоретических исследований динамических процессов при движении материала в воздушном потоке;;
- результаты экспериментальных исследований динамических процессов;
- результаты моделирования процесса пневматического транспортирования материала на аналоговых вычислительных машинах;
- результаты производственной проверки математического моделях.
Взаимодействие воздушного потока и транспортируемых частиц
На аналоговых вычислительных машинах можно решать не только дифференциальные уравнения, но и при необходимости использовать функциональные зависимости, представленные в виде графиков, не имеющих математического описания /75,76/. Согласно специфике аналоговых вычислительных машин, систему дифференциальных уравнений (2.48) решим методом математического моделирования. Для этого составлена математичееко-электронная модель процесса /75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89/.
Блочная схема моделирования системы уравнений (2.44) представлена на рис.5.I. Для моделирования использована аналоговая вычислительная машина МН-7М, результаты моделирования выводятся на электрон-но-лучеЕой индикатор И-6. На экране можно наблюдать и с него фотографировать исследуемый процесс, например, траекторию движения частицы, ее скорость и т.п. Если длительность исследуемого процесса более 10 с, то наблюдая его на экране можно составить представление о самом процессе. Но при транспортировании материала по трубопроводу длиною 30 м при скорости воздуха 25 м/с длительность процесса состоит менее 2 с. За такой короткий промежуток времени трудно наблюдать динамику процесса. Увеличить длительность процесса при моделировании можно ЕВЄДЯ в описывающие его уравнения масштаб времени. Выходные сигналы аналоговых вычислительных машин не должны превышать установленных режимных параметров, тироЕания: /" -интегратор; jf -сумматор; 6/7 -блок - произведения фу .акций; ,5- -блок формирования; 69 -блок умножения поэтому при моделировании ЕЕОДЯТСЯ ограничивающие масштабы,как, например, масштаб пути /58,76,88/. Значения соответствующих масштабов определяются из следующих уравнений: где т. - масштаб Бремени; с т - масштаб горизонтального пути; /7? - масштаб вертикального пути; /я - масштаб угла поворота частицы; хм - реальные составляющие пути частицы, м; у - угол поворота частицы, рад; Т - машинное время, с; Х,У - машинные пути частицы, м; ф - машинный угол поворота частицы, рад. У аналоговой вычислительной маширы типа МН-7М максимальная величина напряжения на Еыходе усилителей постоянного тока равна 100 В /76/. Данное значение принимаем за единицу, тогда V=lM; і =Ім; 1= 200 ад; С = »2 с Как уже упо миналось, для визуального наблюдения исследуемых процессов машинное Еремя Т должно быть не менее 10 с. Принимаем Т = = 10 с. Тогда соответствующие масштабы моделирования будут: щ = 0,02; / = I; ль = 0,2; /z = 200. Полученные значения масштабов введем в систему уравнений (2.44) и после преобразования получим систему уравнений, пригодную для составления принципиальной схемы моделирования следующего Еида: зависимости (4.7), характеризующей профиль воздушного потока в трубопроводе круглого сечения и носящей логарифмический характер. Расчленим ее на две составляющие (рис.5.2). Криволиней-ность функции / 7 / прямопропорциональна максимальной скорости воздушного потока (рис.5.3). Исходя из этих двух условий, составим принципиальную электронную схему реализации выражения (5.7) на основе стандартных элементов аналоговой вычислительной машины МН-7М (рис.5.4). Переменный параметр 4 » характеризующий положение частицы в поперечном сечении трубопровода, суммируется с постоянным слагаемым С/ в сумматоре-усилителе УС (рис.5.4). Полученный на выходе прямолинейный сигнал (/а , пройдя варистор 2? и усилитель усг » преобразуется в логарифмический относительно параметра.
Математическое описание процесса движения частиц в воздушном потоке
Для расчета коэффициентов моделирования на АВМ определены следующие физико-механические свойства транспортируемого зерна пшеницы: средняя масса зерновки т = 0,49 Ю кг; средняя площадь поверхности зерноЕКи S - II,610 м , момент инерции зерноЕки относительно малой оси / = 0,22 10 кг«м2; критическая скорость % =9,0 м/с; средний коэффициент восстановления скорости о = 0,5; коэффициент упругости = 56,9 Н.
Имея эти данные и масштабы моделирования, нами рассчитаны значения коэффициентов, ЕХОДЯЩИХ Е систему уравнений (5.1). В результате расчетов получено, что / =0,12; = 0,02 и проведено моделирование процесса транспортирования зерна пшеницы по металлическому трубопроводу.
По результатам моделирования на рис.5.14 для примера показана траектория движения зерновки в трубопроводе диаметром 0,2м при скорости воздушного потока 20 м/с. Так как на практике зерноЕка Е транспортирующий поток обычно попадает со стороны верхней стенки трубопровода, то данное условие нами сохранено и при моделировании процесса. Как ЕИДНО из приведенной осциллограммы, зерновка в воздушный поток попадает в точке /у . Под действием воздушного потока и гравитационной силы она перемещается к нижней стенке трубопровода, с которой соударяется в точке . В результате удара силы подбрасывают зерновку к верхней стенке трубопровода, о которую она ударяется в точке с Затем характер движения транспортируемой частицы повторяется. Еоздушным потоком по трубопроводу диаметром 0,2 м В результате удароЕ о стенки трубопровода изменяется тангенциальная составляющая скорости частицы. Об этом свидетельствует осциллограмма, приведенная на рис.5.15. Под воздействием воздушного потока тангенциальная составляющая скорости транспортируемой частицы увеличивается от 0 в точке 4 до определенного значения в точке 6 . В этой точке частица ударяется о нижнюю стенку трубопровода и тангенциаль 107 скорости транспортируемой частицы ная составляющая ее скорости скачкообразно снижается до значения в точке 6 . После отскока от нижней стенки трубопровода значение тангенциальной составляющей скорости частицы вновь начинает увеличиваться до следующего соударения со стенкой трубопровода в точке С В дальнейшем ЕЄСЬ процесс периодически повторяется. Из этой же осциллограммы видно, что зерноЕка максимальную скорость транспортирования достигает не сразу, а постепенно, проходя участок разгона. В результате ударов о стенки трубопровода изменяется нормальная составляющая скорости транспортируемой частицы. Это видно из осциллограммы, приведенной на рис.5.16. Из осицллограммы видно, после попадения зерновки в воздушный поток (точка & ) ЕО Еремя ее движения по направлению к нижней стенке трубопровода нормальная составляющая ее скорости увеличивается от нулевого значения до значения в точке S . В этой точке происходит удар транспортируемой частицы о стенку скорости транспортируемой частицы трубопровода и нормальная составляющая ее скорости мгновенно меняет знак и численное значение (точка 6 ), которое пропор-ционально коэффициенту восстановления скорости {/ - е[/ После удара под действием сил /? и Р нормальная состаЕляю-щая скорости частицы увеличивается от значения (/ до значе-ния \/п (точка с ) В точке с после удара скорость и на-правление движения ВНОЕЬ меняются 1 - е& так происходит в течение всего процесса транспортирования частицы. При ударе частицы о стенку трубопровода возникает крутящий момент и частица приобретает определенную скорость Ераще-ния относительно центра массы. На рис.5.17 показана осциллограмма данного процесса. До удара о стенку трубопровода скорость вращения частицы раЕна нулю (точка 0 ). Под воздействием силы удара Е точке /6 частица приобретает определенную скорость Еращения, которая харак-терируется точкой 6 . Под действием сопротивления окружающей
Определение подъемной силы,действующей на частицу от профиля воздушного потока
Анализ приведенных зависимостей позволяет сделать следующие выводы о характере процесса транспортирования частицы воздушным потоком» При скорости воздушного потока 15 м/с величина подъемной силы незначительна и частица транспортируется в непосредственной близости от нижней стенки трубопровода Е зоне с низкими значениями \{- , При скорости воздушного потока IL = 20 м/с процесс транспортирования является переходным, так как частица движется скачкообразно с нестабильной частотой колебания ж с затухающей амплитудой. При скорости воздушного потока I/ = 25 м/с частица в тру-бопроводе перемещается скачкообразно, ударяясь о его верхнюю стенку, но сила удара о верхнюю стенку незначительна и частота колебания является наименее стабильной, что позволяет частице достичь наибольшей тангенциальной скорости. При скорости воздушного потока = 30 м/с частица перемещается скачкообразно, ударяясь о противоположные стенки трубопровода с наибольшей частотой колебаний и сила трения при ударах приводит к уменьшению тангенциальной скорости частицы. При конкретной скорости воздушного потока изменение диаметра трубопровода влияет на частоту колебания, что приводит к изменению тангенциальной скорости. Обсуждение результатов моделирования процесса пневматического транспортирования зерна Составлена электронная схема процесса пневматического транспортирования материала, которая позволяет реализовать систему уравнений, описывающих данный процесс, с учетом масштабов времени, горизонтального и вертикального пути, угла пово-рота частицы. Определены физико-механические свойства зерновки пшеницы, которые влияют на процесс его транспортирования в воздушном потоке; средняя масса зерновки, площадь ее поверхности, момент инерции, средняя критическая скорость и средний коэффициент восстановления скорости. Полученные данные позволили определить численные значения коэффициентов, входящих в уравнения моделируемой системы. Анализ полученных в результате моделирования процесса осциллограмм подтверждает, что транспортируемая частица в трубопроводе движется скачкообразно. Одним из ОСНОЕНЫХ параметров, характеризующих эффективность процесса пневматического транспортирования, является тангенциальная -скорость перемещаемого материала. Она зависит от лобового давления /ff и силы трения / в момент удара частицы о стенку требопровода. Чем больше значение силы ff , тем Еыше скорость транспортируемой частицы, и, наоборот, чем больше значение силы / , тем меньше значение тангенциальной скорости. Получены графические зависимости тангенциальной скорости транспортируемой частицы от средней скорости воздушного потока Е трубопроводе, коэффициента восстановления скорости и диаметра трубопровода. Анализ полученных графиков (рис.5.24) показы-вает, что частицы транспортируемого материала достигают минимальной относительной скорости при определенных параметрах трубопровода и режима транспортирования. Из графиков видно, что трубопровод диаметром около 10 см более эффективен относительно трубопровода диаметром 20 см. На рис.5.25 по данным расчета на АВМ построен график, в котором показана тангенциальная скорость частиц транспортируемого материала от средней скорости воздушного потока. Из ри сунка видно, что тангенциальная скорость частицы jj/ наиболее приближается к скорости воздуха № и, яем самым наименьшей относительной скорости достигает при скорости воздушного потока 25 м/с при диаметре трубопровода 10 см. Как известно, з уменьшением относительной скорости частицы уменьшаются дополнительные потери давления, а тем самым и потребляемая мощность, которая по данным расчета снижается на 21%. При необходимости транспортировать материал по трубам большего диаметра целесообразно сделать овальный трубопровод, наименьшая ось которого равна 10 см. Например,, для пневмати \ ческого транспортера ТЗП-7А, диаметр трубопровода которого о 20 см и площадь сечения 0,0298 м , предлагается использовать овальный трубопровод (рис.5.26), высота которого 6 =0,1 м, а площадь сечения та же А = 0,0298 м . давления Е трубопроводе пневматического транспортера ТЗП-7А с круглым и овальным трубопроводом. Процесс транспортирования зерна во время контрольных замеров был следующим. В приемный бункер транспортера засыпали зерно, которое по\і трубопроводу транспортировалось Е бункер зерносклада. Расстояние транспортирования при проведении испытаний составляло 30 м, скорость воздушного потока поддерживалась постоянной 1 = 25 м/с. Испытания проводили с шестикратной повторносгыо в каждый из трех дней по методике, указанной в разделе 3.9.
Подъемная сила, действующая на транспортируемую частицу
Средняя удельная энергоемкость в киловатт-часах на 100 тоннометров при средней производительности 5 т/ч для круглого трубопровода составляет 2,47 кВт-ч/100 тм, а для овального трубопровода - 2 кВт-ч/Ю0 тм.
Производственная проверка показала, что использование овального трубопровода для транспортирования зерна целесообразно, так как энергоемкость снижается на 19$, а производительность увеличивается на 21$. Исходя из этого видим, что результаты производственной проверки подтверждают данные моделирования. Для примера расчет экономической эффективности применения трубопровода новой конструкции определим Е конкретных условиях эксплуатации пневмотранспортера на зерноскладе колхоза „Сасна-ва" Капсукского района ЛитССР. В хозяйстве в среднем производится 2000 тонн зерна. Это зерно перерабатывается с использованием пневматического транспортера. Средняя годовая загрузка составляет около 10000 тонн. Годовую экономию применения трубопровода овального сечения по сравнению с круглым определим по формуле /91/ По формуле (5.3) рассчитаем ГОДОЕУЮ экономическую эффективность С учетом эксплуатационных затрат рассчитаем время окупаемости нового варианта .4 ., «- "-- 2,4/&. По данным МОХ Литовской ССР /90/ имеем, что Е республике Е среднем Е год производится 2,8 миллиона тонн зерна. Экономическая эффективность применения пневмотранспортероЕ с оптимальными конструктивными параметрами трубопровода и с оптимальными режимами работы за год при 22%-ной нагрузке календарного фонда времени в пересчете на один ТЗП-7А в республике составит около 330000 руб, экономия электроэнергии составляет 3420000 киловатт-часоЕ, а экономия фонда рабочего времени при обслуживании пневмотранспортера составляет 565320 часов. 1. Для определения оптимальных параметров пневмотранспортеров и режимов процесса пневмотранспортироЕания материала целесообразно использовать математическое моделирование процесса на аналоговых вычислительных машинах (АВМ). 2. Моделирование процесса пневматического транспортирования на АВМ позволяет исследовать в широких пределах влияние отдельных физических факторов и определить оптимальные параметры как самих пневмотранспортеров, так и режимов транспортирования. 3. Установлено, что на процесс транспортирования частицы материала Еоздушным потоком ОСНОЕНОЄ влияние оказывают подъемная сила профиля воздушного потока, подъемная сила вызванная вращением частицы и сила трения от удара транспортируемой частицы о стенки трубопровода. В результате теоретического анализа процесса пневматического транспортирования частиц материала получены осноЕные закономерности (3.34), (3.35), (3.38), (3.42), (3.43), (3.44) описывающие данный процесс. 4. В результате моделирования установлено, что при транспортировании зерновки пшеницы оптимальная скорость воздушного потока VCn = 25 м/с, а диаметр трубопровода Л = 0,1 м.Для увеличения производительности транспортирования материала целесообразно применять овальный трубопровод, наименьшая ось которого S = 0,1 м. 5. Годовой экономический эффект от применения овального трубопровода по сравнению с круглым такого же сечения для одного пневмотранспортера ТЗП-7А при 22 -ной нагрузке ГОДОЕОГО календарного фонда времени в хозяйстве в среднем составляет 239,76 руб.
В ЛИТОЕСКОЙ ССР производящей в среднем в год 2,8 млн.тонн зерна при 22%-ной нагрузки календарного фонда времени годовой экономический эффект составит около 330 тыс.руб, в том числе экономия электроэнергии 342,2 тыс.кВт.ч и экономия фонда рабочего времени при обслуживании ЇЗП-7А 565,3 тыс.часов.
