К обоснованию направления совершенствования конструкции ленточного дозатора сыпучих материалов

Полный текст

В народном хозяйстве широко используются различные композиты [1-3] и смеси [4-6]. Для их производства сырье подлежит измельчению [7, 8], а затем смешиванию в пропорциях рецептуры [9, 10]. Точность настройки дозаторов обеспечивает соблюдение рецептов. В зависимости от непрерывности процесса приготовления конечного продукта применяют дозаторы непрерывного или порционного действия [11, 12]. Для обеспечения приготовления порции смеси чаще используют смесители периодического действия, в которые засыпают необходимые порции материала. В данном случае преимущественно используют порционные смесители [11, 12]. Чаще всего применяются весовые устройства, во встроенную (или установленную) чашу которых засыпается материал до достижения массы порции. Использование весов позволяет точнее производить учет загружаемого компонента [13]. Недостатком данной технологии производства смесей является завышенные энергозатраты на перемешивание порции до достижения технологических требований на однородность конечного продукта [9]. Снизить энергозатраты возможно за счет использования смесителей непрерывного действия, где одновременно перемешивается меньшая масса продукта [13-15]. В данном случае имеется потребность использования дозаторов непрерывного действия.

Среди конструкций дозаторов непрерывного действия широко используют дозаторы шнековые [8, 16], барабанные [17, 18], тарельчатые [19], ленточные [20-22] и другие [10]. При работе шнековых и барабанных дозаторов наблюдаются пульсации мгновенной подачи материала, что приводит к колебаниям рецептуры в процессе производства и требует дополнительного усреднения содержания компонентов. Тарельчатые и ленточные дозаторы обеспечивают существенно более равномерную мгновенную подачу компонентов. Однако, ленточные дозаторы проще оборудовать весовым регулятором. Поэтому ленточные весовые дозаторы более актуальны и перспективны для применения в современном производстве.

Цель исследований – определение направления совершенствования конструкции ленточных дозаторов, обеспечивающее возможность снижения погрешности дозирования.

Методика исследований предусматривала теоретические исследования численными методами в программе MathCAD по установлению тенденций изменения погрешности дозирования в случае наличия ошибок при фиксации параметров рабочего процесса и конструкции дозатора.

Основой ленточного дозатора (рис. 1) является бункер для сыпучего материала, под которым располагается ленточный транспортер в составе ленты 4 с опорными роликами 1. Над лентой располагаются борта 2, предотвращающие рассыпание материала. У весовых дозаторов под лентой 4 располагается измерительное устройство 3. Для регулирования производительности в боковой поверхности бункера над лентой 4 имеется выгрузное окно 8, перекрытое заслонкой 5, обладающей приводом 6.

Производительность ленточного дозатора определяется формулой [23], кг/с

$\text{Q}=\text{S}\cdot \vartheta \cdot \text{ρ}\cdot \varphi =(\text{a}\cdot \text{h})\cdot \vartheta \cdot \text{ρ}\cdot \varphi$,                                                                              (1)

где S – площадь выгрузного окна, м²; a – ширина выгрузного окна, м; h – высота выгрузного окна, м; $\vartheta$ – скорость движения ленты, м/с; ρ – насыпная плотность вороха дозируемого материала, кг/м³; $\varphi$ – степень заполнения материалом пространства выгрузного окна.

 

Рис. 1. Схема ленточного дозатора [23]: 1 – опорный ролик; 2 – борт; 3 – измерительное устройство; 4 – лента; 5 – заслонка; 6 – привод; 7 – бункер сыпучего материала; 8 – выгрузное окно

 

В процессе изготовления и настройки дозатора возможно наличие погрешности и изменение исходно заданных размеров выгрузного окна, скорости ленты в силу различного ее натяжения и вытягивания, плотности вороха материала при изменении влажности и т.п. Все это приведет к расхождению расчетных и заданных значений ленточного дозатора.

Рассмотрим влияние указанных погрешностей на точность обеспечения производительности. Для этого рассмотрим влияние изменения показателей в ф.1 на фактически используемые единицы измерения. В процессе изготовления дозатора и регулировании положения заслонки настройка производится с точностью до одного миллиметра. Соответственно и используем при численных исследованиях данный показатель. При этом при сохранении заданной площади выгрузного отверстия возможно изменение пропорций между шириной и высотой выгрузного отверстия (рис. 2. а, b, c). Погрешности размеров ширины Dа и высоты Dh выгрузного отверстия одинаковые (1 мм), однако в зависимости от пропорций выгрузного окна (рис. 2) погрешности производительности будут различными.

 

Рис. 2. Расчетная схема размеров выгрузного окна 8

 

Скорость измеряется в метрах в секунду, поэтому используем значения скорости с точностью десятой доли метра в секунду. Плотность изменится в процессе уплотнения, роста высоты материала в бункере и повышения влажности, поэтому используем данный показатель (единица изменения – 3 кг/м³). Степень заполнения – безразмерный показатель, отражающий долю объема материала дозируемого продукта в объеме дозируемого вороха продукта, зависит от заполнения бункера (высоты слоя продукта) и конструктивных особенностей дозирующего устройства. Фактически изменяется в процессе работы дозатора на малые величины значения. Применяем значения с точностью одной сотой безразмерной единицы.

Используя численные методы исследований, рассмотрим влияние каждого из указанных параметров на показатель изменения производительности дозатора.

Для примера рассмотрим влияние погрешности (1 мм) размера выгрузного окна при различной настройке положения заслонки при постоянстве остальных показателей. Площадь выгрузного отверстия $S$ в численном опыте постоянна и составляет 10000 мм². Изменяется высота отверстия h в интервале от 32 до 316 мм. Из условия ширины отверстия, мм: $a=\raisebox{1ex}{$S$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$h$}\right.$, найдем соответствующий интервал изменения ширины (в порядке уменьшения для опыта): от 316 до 32 мм.

Изменение производительности $Q_{∆}$ при погрешности текущих значений высоты выгрузного отверстия $h_i$ на 1 мм, составит, кг/с:

$Q_{\Delta }=[\frac{S}{h}\cdot h]\cdot (\vartheta \cdot \rho \cdot \varphi )-[\frac{S}{h-\mathrm{0,001}}\cdot (h-\mathrm{0,001})]\cdot (\vartheta \cdot \rho \cdot \varphi )$                                       

${Q_{\mathrm{\Delta }}}_i=[\frac{S}{h_i}\cdot h_i-\frac{S}{h_i-\mathrm{0,001}}\cdot (h_i-\mathrm{0,001})]\cdot (\vartheta \cdot \rho \cdot \varphi )$.                                            (2)

Аналогичная функция наблюдается при выражении ширины отверстия через его высоту.

Изменение производительности $Q_{∆}$ при погрешности текущих значений скорости ленты (на ее примере), плотности или степени заполнения будут относительно похожи приведенному выражению, кг/с:

${Q_{\Delta }}_i=({\vartheta }_i-{\vartheta }_{i-1})\cdot (a\cdot h\cdot \rho \cdot \varphi )$.                                                                             (3)

Здесь исследуемый параметр используется в исходном и уменьшенном значении. Скорость исследуется на интервале скоростей 0,6¸2,0 м/с, степень заполнения – 0,55÷1,00, плотность – 300÷1200 кг/м³.

Результаты исследований. На основе выше указанных формул произведем численное моделирование программой MathCAD на основе однофакторных зависимостей по выявлению влияния изменения производительности $Q_{∆}$ в долях от самой производительности $Q$ при наличии погрешности текущих значений у всех указанных параметров (рис. 3-7).

 

Рис. 3. Результаты моделирования показателя соотношения прироста производительности к производительности дозатора (Q_Dᵢ/Qᵢ, доля) и выгрузного отверстия aᵢ (м) в зависимости от высоты выгрузного отверстия hᵢ (м) при постоянной площади выгрузного окна S

 

Учитывая, что численный эксперимент закладывается из условия постоянства площади (S = const) выгрузного отверстия, соответственно при изменении ширины выгрузного отверстия, пропорционально меняется высота выгрузного отверстия (см. график зависимости aᵢ от hᵢ на рис.3). По мере роста ширины выгрузного отверстия величина абсолютного значения изменения производительности  ($Q_{∆}$, кг/с) снижается по гиперболической зависимости (см. график зависимости Q_Di от aᵢ на рис. 4). Однако, для объективной оценки по каждому фактору используется относительный показатель, выражающийся в соотношении изменения производительности Q  в долях от самой производительности Q, далее называемый как погрешность дозирования.

 

Рис. 4. Результаты моделирования показателя соотношения прироста производительности к производительности дозатора (Q_Di/Qᵢ, доля) и прироста производительности дозатора (Q_Di, кг/с) в зависимости от ширины выгрузного отверстия aᵢ (м) при постоянной площади выгрузного окна S

 

Несмотря на асинхронность значений высоты и ширины выгрузного отверстия (прирост одного ведет к убыванию другого), влияние их числовых значений на изменение производительности аналогичны (рис. 3, 4). При числовом значении любого из них равном 0,2 м, относительное изменение погрешности составляет около 0,05 долей производительности дозатора (5%). При значении факторов порядка 0,1 м, погрешность составит – около 0,1. С дальнейшим уменьшением любого фактора погрешность резко возрастает. Это функциональное свойство. Однако, в силу конструктивно-технологических условий изготовления и работы дозатора наблюдается следующее. Ширина окна задается конструктивно, как правило, и она постоянна при изготовлении, а производительность регулируется высотой окна посредством положения заслонки. Тем самым, фактически основное влияние на погрешность дозирования оказывает точность установки заслонки. Тогда получается, что для уменьшения погрешности дозирования, ширина окна должна быть менее высоты выгрузного отверстия. При соотношении ширины отверстия к ее высоте равном 4 погрешность производительности – 0,2 при регулировке производительности высотой окна; при указанном соотношении равном 1 погрешность производительности – 0,1; при указанном соотношении равном 0,5 погрешность производительности – 0,05. То есть, рост высоты дозируемого слоя способствует уменьшению погрешности дозирования.

Однако, в практической реализации это не наблюдается, а используется прямо противоположный подход. Это связано с тем, что для дозирования материала требуется обеспечить для частиц из состояния покоя передачу кинетической энергии от активного рабочего органа (ленты) посредством силы трения их о рабочую поверхность. Так как активной поверхностью является лента, то требуется увеличение площади их контакта. Поэтому традиционно используется пропорция, когда ширина выгрузного окна больше его высоты. Изменить пропорции рабочего соотношения ширина / высота выгрузного отверстия возможно только за счет совершенствования рабочих органов, увеличивающих активную часть периметра выгрузного окна. С ростом скорости ленты равное проскальзывание материала (в абсолютных значениях) ведет к уменьшению погрешности производительности (рис. 5). Однако в силу увеличения прироста скорости частиц массой m у днища бункера от нуля до u, а также роста потребного значения кинетической энергии (m ∙ u²/2), требует тоже роста активной площади контакта материала с активными рабочими органами. Это можно обеспечить только за счет совершенствования конструкции дозатора.

 

Рис. 5. Результаты моделирования показателя соотношения прироста производительности к производительности дозатора (Q_Dj/_Qj, доля) в зависимости от скорости ленты u_j (м)

 

Анализ влияния увеличения плотности материала и степени заполнения пространства выгрузного окна (рис. 6, 7), как и их произведения, показывает снижение величины погрешности дозирования от увеличения значений данных показателей. Соответственно, при совершенствовании конструкции дозатора, следует предусматривать возможность повышения значений плотности материала и степени заполнения пространства выгрузного окна.

 

Рис. 6. Результаты моделирования соотношение прироста производительности к производительности дозатора (Q_Dj/Q_j, доля) в зависимости от плотности вороха материала (r_j, кг/м³)

 

Рис. 7. Результаты моделирования соотношение прироста производительности к производительности дозатора (Q_Dj/Q_j, доля) в зависимости от степени заполнения выгрузного отверстия (f_j, доля)

 

Заключение. Повышение точности дозирования в случае погрешностей настройки дозатора требует совершенствования конструкции дозаторов непрерывного действия ленточного типа в направлении повышения скорости движения ленты и уплотнения материала в зоне дозирования. Увеличение активной площади выгрузного отверстия способствует возможности роста скорости движения ленты. Дополнительные активные рабочие органы в зоне дозирования позволят увеличить высоту дозируемого слоя материала, что снизит погрешность дозирования. Рост высоты дозируемого слоя на ленте способствует уменьшению погрешности дозирования. При соотношении ширины отверстия к ее высоте равном 4 погрешность производительности – 0,2 при регулировке производительности высотой окна; при указанном соотношении равном 1 погрешность производительности – 0,1; при указанном соотношении равном 0,5 погрешность производительности – 0,05.

 

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Contribution of the authors: the authors contributed equally to thᵢs article. The authors declare no conflicts of interests.

Об авторах

Антон Алексеевич Попков

Пензенский государственный технологический университет

Email: antonio91014@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0007-6835-9836

аспирант

Россия, Пенза

Владимир Викторович Коновалов

Пензенский государственный технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: konovalov-penza@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-5011-5354

доктор технических наук, профессор

Россия, Пенза

Владимир Юрьевич Зайцев

Пензенский государственный технологический университет

Email: vluzai@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6230-0856

кандидат технических наук, доцент

Россия, Пенза

Марина Владимировна Донцова

Пензенский государственный технологический университет

Email: dontmv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2915-0881

кандидит технических наук, доцент

Россия, Пенза

Список литературы

Дополнительные файлы