Основы теории импульсных инерционных конвейеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, доктор технических наук Лускань, Олег Александрович

• Лускань, Олег Александрович
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Лускань, Олег Александрович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и выбор направлений исследования.

1.1. Классификация, характеристика и физико-технические свойства штучных грузов.

1.2. Классификация конвейеров и их элементов, взаимодействующих со штучными грузами.

1.3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований перемещения грузов на транспортно-технологических конвейерах

1.4. Анализ теоретических и экспериментальных исследований ориентирующих и передающих устройств.

1.4.1. Разворот груза на движущейся горизонтальной несущей плоскости.

1.4.2. Передача грузов с одной на другую несущую плоскость.

1.5. Обзор конструкций импульсных инерционных конвейеров.

1.5.1. Импульсные инерционные конвейеры с качающейся рамой.

1.5.2. Импульсные инерционные конвейеры с качающимся приводным элементом.

1.5.3. Импульсные устройства для ориентирования и передачи штучных грузов.

1.6. Выводы по главе.

1.7. Цель и задачи исследований.

Глава 2. Общая теория движения штучных грузов на импульсных инерционных конвейерах.

2.1. Обоснование исходных законов качания рамы и качающегося приводного элемента импульсных инерционных конвейеров.

2.2. Условия движения груза на конвейере.

2.3. Определение сопротивлений, возникающих при перемещении груза и рамы импульсных инерционных конвейеров

2.4. Обобщённая теоретическая модель процесса транспортирования штучных грузов.

2.5. Определение мощности процесса транспортирования грузов на импульсных инерционных конвейерах.

2.6. Численный анализ теоретической модели процесса транспортирования штучных грузов на импульсных инерционных конвейерах.

2.7. Выводы по главе.

Глава 3. Оценка влияния конструктивных параметров различных типов импульсных инерционных конвейеров на процессы транспортирования грузов.

3.1. Особенности движения грузов на импульсных роликовых конвейерах.

3.1.1. Обоснование условий движения штучных грузов на импульсных роликовых конвейерах.

3.1.2. Определение сопротивлений, возникающих при перемещении штучных грузов.

3.1.3. Законы движения штучных грузов на импульсном роликовом конвейере без скольжения относительно роликов.

3.1.4. Законы движения штучных грузов на импульсном роликовом конвейере со скольжением относительно роликов.

3.1.5. Определение минимальной-массы штучного груза при перемещении на импульсном роликовом конвейере.

3.1 .б.Расположение грузов на конвейере.

3.2. Особенности движение грузов на импульсном спутниковом конвейере.

3.3. Выводы по главе.

Глава 4. Ориентирование штучных грузов.

4.1. Анализ процесса ориентирования штучных грузов на импульсном роликовом конвейере.:.

4.2. Математические модели процесса ориентирования штучных грузов.

4.2.1 Математическая модель ориентирования груза по первой схеме (при заторможенной половине роликов).

4.2.2 Математическая модель ориентирования груза по второй схеме (при расторможенных роликах).

4.3. Определение мощности привода конвейера при ориентировании штучных грузов.

4.4. Численный анализ математических моделей процесса ориентирования штучных грузов.

4.5. Выводы по главе.

Глава 5. Экспериментальные исследования процессов транспортирования и ориентирования штучных грузов на импульсных инерционных конвейерах.

5.1. Программа экспериментальных исследований, параметры изменяемые и контролируемые в ходе экспериментов.

5.2. Экспериментальные стенды для исследования процессов транспортирования и ориентирования штучных грузов.

5.3. Планирование экспериментальных исследований.

5.4. Результаты экспериментальных исследований процессов транспортирования и ориентирования штучных грузов.

5.5. Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований.

5.6. Выводы по главе.

Глава 6. Инженерный расчет импульсных инерционных конвейеров.

6.1. Методика инженерного расчета импульсного роликового конвейера.

6.2. Методика инженерного расчета импульсного роликового конвейера для ориентирования штучных грузов.

6.3. Методика инженерного расчета импульсного тележечного конвейера.

6.4. Методика инженерного расчета импульсного ленточного конвейера.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы теории импульсных инерционных конвейеров»

Актуальность работы. Выпуск конкурентоспособных на мировом рынке национальных продуктов зависит не только от быстрого внедрения организационных и технологических новшеств, связанных с частыми изменениями номенклатуры выпускаемых изделий, но и с созданием и внедрением в производство различных транспортирующих машин, устройств и механизмов, связывающих в единую транспортную систему как основные так и вспомогательные производственные операции. Особое место здесь занимают конвейеры различных типов, транспортирующие штучные, насыпные, жидкие и газообразные грузы.

В том или ином виде конвейерные системы существуют практически на любом серийном производстве или крупном складе. Несмотря на разнообразие типов и конструкций таких систем, все они применяются для схожих функций: проведения погрузочно-разгрузочных операций, распределения грузопотоков на складе или предприятии, перемещения грузов от одной точки технологической-линии к другой и т.д.

Одним из важных решаемых вопросов является- перемещение1 штучных грузов [1, 2, 3, 4, 5]. Все разнообразие тарно-штучных грузов не возможно перемещать одним универсальным! транспортным средством, не только из-за разных масс, габаритов, физико-химических свойств, но и формы груза, которая является одной из важных определяющих при выборе типа конвейера, назначения конвейера (загрузочный, перегрузочный, подающий и т д.), технологических условий работы (транспортировка горячих грузов, работа в агрессивных средах, на открытых площадках и пр.). Отдельное место занимают конвейеры, работающие в качестве транспортных систем в условиях гибкой производственной системы, которые подчиняются тем же принципам выбора транспортирующих машин непрерывного действия [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13].

Широкое их разнообразие диктует создание универсальных, легких, мобильных и быстро переналаживаемых конвейеров, которые зачастую используются для подачи и транспортировки грузов на небольшие расстояния, при этом обеспечивая дополнительные операции' по ориентированию, реверсированию, накоплению.

На сегодняшний день исследованиями: по созданию конвейерных систем нового поколения и совершенствованием! традиционных технологий: транспортирования грузов занимаются как отечественные компании: ИНПП «Конвейер», ЗАО «Стеклопак», ООО «Фруктонад групп»; «Сибирская машиностроительная компания», ООО «Поток-TM», ООО "Проект Инвест" (Россия), ООО «Полином» (Татарстан), так и зарубежные: фирма «Круиз», ООО «Завод Термо-Пак», ОАО «Конвейер» (Украина); «Blume», «WTT Fordertechnik», «Librawerk», «Lipsia Fordertechriik», «KNAPP» (Германия),, «Ghiorino», «Gomarme Marchetti», «SIAT»- (Италия); «Ekobal», «Velteko», «AppecAstro» (Чехия) и др;

В настоящее время на российском рынке представлено довольно большое количество решений в области транспортировки и, распределения грузопотоков. Помимо поставщиков свои продукцию* активно ¿продвигают и сами производители (это касается в основном заводов, находящихся в России и странах СНГ).

Среди большого многообразия конвейеров особое место занимают конвейеры, предназначенные; для транспортирования штучных грузов. Для их перемещения широко применяются ленточные, пластинчатые, роликовые, грузоведущие, тележечные, штанговые, шагающие конвейеры; так как они обеспечивают непрерывность подачи; изменение скорости транспортирования и накопление грузов, а также, выполнение на них различных технологических операций. Недостатками указанных, конвейеров является сложность конструкции, значительная энергоемкость транспортных процессов и металлоемкость конструкций.

Штучные грузы транспортируются также инерционными конвейерами, на которых груз перемещается за счет бигармонического характера колебания желоба, однако этот тип конвейеров из-за больших динамических нагрузок на привод и сопротивлений от перемещаемого груза по желобу не получил широкого применения.

Кроме того, различные физико-технические свойства штучных грузов диктуют создание универсальных, легких, мобильных и быстро переналаживаемых конвейеров, которые зачастую используются для подачи и транспортировки грузов на небольшие расстояния, при этом обеспечивая дополнительные операции, например по развороту и реверсированию.

На кафедре «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» ГОУ ВПО «СГТУ» разработаны новые конструкции инерционных конвейеров, которые можно назвать импульсными конвейерами, из-за способа передачи движения грузу от грузонесущих элементов. Импульсные конвейеры могут применяться в качестве транспортных, перегрузочных, подающих, отводных средств, а также транспортных систем, использующихся в гибких производственных системах (ГПС) машиностроительных производств и отличаются от известных типов конвейеров малой энергоемкостью транспортно-технологических операций и сравнительно низкой металлоемкостью конструкций из-за отсутствия в грузонесущих элементах дорогостоящих механических передач.

Диссертационная работа соответствует научному направлению кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» БИТТУ (филиал) ФГОУ ВПО «СГТУ» - 13.В.02 «Разработка научных основ оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных, дорожных и коммунальных машин», (рег.№01201001326, ФГНУ «ЦИТиСОИВ»). Отдельные разделы диссертационного исследования выполнялись в рамках г/б НИР по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие потенциала высшей школы» (мероприятие 2: «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры ВУЗовской науки» (приказ СГТУ №88-П от 28.01.2009 г.) по теме «Развитие теории оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин».

Таким образом, главным направлением исследований по. разработке конвейеров нового поколения для перемещения штучных грузов является создание принципиально нового оборудования, отвечающего требованиям малой энергоемкости, быстрой переналадки и универсальности.

Цель работы. Разработка основ теории нового типа машин непрерывного транспорта - импульсных инерционных конвейеров, обеспечивающих выполнение транспортно-технологических операций со штучными грузами, имеющими- различные физико-технические характеристики, на основе разработанных новых технических решений и общей теории движения грузов с учетом влияния- особенностей' предложенных конструкций грузонесущих элементов и режимных параметров работы импульсных конвейеров, способствующих снижению энергоемкости транспортно-технологических процессов.

Указанная цель работы определила следующие задачи исследования:

1. На основе системного анализа транспортно-технологических процессов со штучными грузами, выполняемых различными видами конвейеров обосновать предпосылки создания нового типа машин непрерывного транспорта - импульсных инерционных конвейеров, конструктивные особенности и режимные параметры работы« которых, способствуют снижению энергоемкости указанных процессов.

2. Разработать обобщенную теоретическую модель процесса транспортирования штучных грузов, описывающую . общий принцип перемещения грузов на импульсных инерционных конвейерах и определяющую рациональные параметры качания рамы, от которых зависит скорость и энергоемкость процесса транспортирования штучных грузов.

3. Исследовать влияние конструктивных особенностей грузонесущих элементов и режимных параметров работы импульсных инерционных конвейеров на кинематические характеристики движения штучных грузов.

4. Разработать теоретические модели процессов ориентирования штучных грузов с плоской опорной поверхностью, определяющие рациональные параметры качания рамы импульсных инерционных конвейеров в зависимости от заданных режимных параметров с оценкой энергоемкости процесса ориентирования.

5. Провести экспериментальные исследования разработанных конструкций грузонесущих элементов- и выбранных рациональных режимных параметров качания рам импульсных инерционных конвейеров, устанавливающих их влияние на скорость и мощность процессов транспортирования и ориентирования штучных грузов для подтверждения теоретических исследований.

6. Обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований с разработкой методик инженерного расчета импульсных конвейеров с различными типами грузонесущих элементов.

Основная научная идея работы заключается в более полном использовании энергии инерции грузов, получаемой от импульсного привода, требующих разработки- теоретических основ для их проектирования.

Объект исследования - транспортно-технологические процессы перемещения штучных грузов.

Предмет исследования - импульсные инерционные конвейеры, обеспечивающие транспортно-технологические перемещения штучных грузов.

Методологическая основа исследования - задачи диссертационного исследования решены на основе методов информационного, теоретического анализа с применением дифференциального и интегрального исчисления, многофакторного эксперимента, математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Обобщенная теоретическая модель процесса транспортирования штучных грузов, описывающая общий принцип перемещения грузов на импульсных инерционных конвейерах и определяющая рациональные параметры- привода предложенных типов импульсных инерционных конвейеров, от которых зависит скорость и энергоемкость процесса транспортирования штучных грузов.

2. Теоретические модели процесса транспортирования грузов на импульсных инерционных конвейерах с различными типами грузонесущих элементов.

3. Теоретическая модель процесса ориентирования штучных грузов с плоской опорной поверхностью на импульсном» роликовом инерционном конвейере.

4. Результаты экспериментальных исследований процессов транспортирования и ориентирования^ штучных грузов на импульсных инерционных конвейерах с различными-типами грузонесущих элементов.

5. Основные теоретические зависимости инженерного расчета конструкций грузонесущих элементов и режимных параметров работы импульсных инерционных конвейеров, обеспечивающих выполнение транспортно-технологических операций со штучными грузами.

Новизна научных положений:

- предложен новый класс инерционных конвейеров — импульсные инерционные конвейеры с различными типами грузонесущих настилов, обеспечивающие транспортирование и ориентирование штучных грузов при выполнении технологических операций;

- впервые разработана общая теория импульсных инерционных конвейеров, описывающая общий принцип перемещения грузов с определением основополагающих закономерностей движения штучных грузов, а также мощности, расходуемой на транспортирование, и установления рациональных параметров привода предложенных конвейеров;

- определено влияние конструктивных и режимных параметров импульсных инерционных роликового, спутникового • (тележечного) и ленточного конвейеров на процессы прямолинейного горизонтального и пологонаклонного транспортирования штучных грузов, имеющих различные физико-технические свойства;

- впервые разработаны теоретические закономерности поворота при ориентировании и передачи штучных грузов, имеющих плоскую опорную поверхность без смещения и со смещением центра тяжестиг груза1 относительно центральной оси транспортирования без применения дополнительных устройств для ориентирования и остановки основного конвейера;

- получены зависимости для определения максимальной производительности при минимальной энергоемкости процессов транспортирования и ориентирования штучных грузов, а также проведен численный сравнительный анализ энергоемкости транспортирования и ориентирования штучных грузов. предложенными ^ импульсными инерционными конвейерами и известными типами конвейеров, показывающий снижение энергоемкости транспортно-технологических процессов в среднем на 30%;

- на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по проектированию грузонесущих элементов и выбору рациональных режимных параметров привода предложенных типов импульсных инерционных конвейеров.

Практическая значимость работы.

Проведенные научные исследования и полученные результаты дают возможность разработки методик проектирования предложенных типов импульсных инерционных конвейеров, обеспечивающих транспортирование и ориентирование штучных грузов в условиях гибких производственных систем машиностроительных производств без использования дополнительных внешних устройств, что позволило достичь снижения металлоемкости и энергоемкости транспортно-технологических процессов.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается: корректным выбором соответствующих задачам физических предпосылок; применения апробированных законов механики, математики, теории механизмов и машин, методов математического моделирования; сопоставлением результатов аналитического исследования с данными экспериментов и математического моделирования; сравнительным анализом полученных результатов с известными. Реализация результатов работы: Результаты исследований внедрены:

- на ОАО «Волжский дизель им. Маминых» г. Балаково, внедрена методика инженерного расчета инерционного роликового конвейера;

- на ЗАО «Волжский литейный завод» г. Балаково, внедрена методика инженерного расчета ориентирующего импульсного роликового конвейера;

- на ОАО «Тяжмаш» г. Сызрань, внедрена методика инженерного расчета импульсного роликового конвейера;

- при обеспечении учебного процесса в рамках дисциплин «Машины непрерывного транспорта», «Комплексная механизация погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ», в дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

Апробация работы. Диссертационная работа заслушивалась и одобрена на заседании кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2010 году.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях СГТУ в 2001-2011 гг, на международной научно-методической конференции «Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин», посвященной 30-летию образования кафедры ПСМ БИТТиУ (Балаково, 2002); на научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (Астрахань, 2002); на научно-технической конференции посвященной 100-летию профессора Г.П. Ксюнина (ЮРГТУ НПИ г. Новочеркасск, 2004); на заседании технического совета ОАО "Волжский дизель им. Маминых" (г. Балаково; 2004); на1Х Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Механики — XXI веку» (Братск, 2010); на XVII международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXIV • века» (Украина, Севастополь, 2010); на II международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2010); на международной научно-практической конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (Пенза, 2010); в IV-VI Саратовском салоне изобретений, инноваций и открытий (Саратов, 2009-2011). Разработка «Двухсекционный инерционный роликовый конвейер» была отмечена дипломом I степени и Золотой медалью VI Саратовского Салона изобретений, инноваций и инвестиций (апрель 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 печатных работы, в том числе 2 монографии и 7 патентов на изобретение. Из указанного числа работ 11 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки.РФ для докторских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 183 наименований. Основной текст исследования изложен на 292 страницах и включает 128 рисунков, 27 таблиц, 3 приложений на 14 страницах.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Лускань, Олег Александрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Диссертационное исследование посвящено созданию принципиально нового типа инерционных конвейеров, получившего название импульсные инерционные конвейеры, применение которых обеспечивает снижение энергоемкости транспортно-технологических процессов со штучными грузами, имеющих различные физико-технические характеристики, с определением рациональных конструктивных и режимных параметров. Таким образом, в диссертации решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение по использованию энергосберегающих машин.

1. Системный анализ конвейеров; используемых для перемещения штучных грузов, позволил учесть наиболее значимые факторы, влияющие на процессы транспортирования и ориентирования штучных грузов и в конечном итоге обосновать эффективность применения импульсных инерционных конвейеров.

2. Разработана обобщенная теоретическая модель процесса транспортирования штучных грузов, описывающая общий принцип перемещения грузов импульсными конвейерами с определением закономерностей абсолютного и, относительного движения груза, рациональных параметров качания рам и мощности привода без учета конструктивных особенностей грузонесущих элементов, однако в ходе численного анализа было установлено, что оптимальные режимы движения груза, т.е. абсолютное движение только в сторону транспортирования, могут т^р 2 т \ быть получены при отношении---> — и-—— < —. тгр+тгэ 3 тгр +тгэ 3

3. Установлено, что конструктивные особенности грузонесущих элементов влияют на определение приведенных коэффициентов сопротивления движению груза по роликам и направляющим, а режимные параметры работы импульсных конвейеров позволяют транспортировать грузы в двух режимах: без скольжения и со скольжением груза относительно грузонесущих элементов или рам конвейеров, при этом рекомендуемые значения качания рам для режима движения груза без скольжения составляют ^=0,05-^0,18 м, ¿у=4^7,3 рад/с и максимальная средняя скорость транспортирования - <9=0,652-^0,823 м/с, для режима движения груза с некоторым относительным скольжением — ^(=0,05^-0,18 м, ю=5,8+20,4 рад/с при средней скорости транспортирования &=0;427-И,1 м/с; обеспечивают горизонтальное и пологонаклонное транспортирование (с углом наклона конвейера до 36°).

4. Представлена качественная картина процесса ориентирования штучных грузов с плоской опорной поверхностью на основе разработанных т теоретических моделей процессов движения груза, определяющих рациональные параметры колебаний рамы ориентирующего импульсного роликового конвейера в зависимости от заданных режимных параметров с определением мощности привода при повороте груза: Выполнен численный анализ полученных математических моделей с выбором рациональных конструктивных и режимных параметров качания рамы конвейера для ориентирования штучных грузов, в результате которого было установлено, что оптимальные режимы поворота груза могут быть получены при щ отношении —^->1. гр

5. Проведенные экспериментальные исследования при рекомендованных режимных параметрах с оценкой достоверности разработанных теоретических исследований показали, что полученные математические модели по определению приведенного коэффициента сопротивления движению груза, средней скорости перемещения и мощностей приводов конвейеров адекватны. Энергоемкость процессов транспортирования и ориентирования штучных грузов импульсными конвейерами составляет в среднем Nyd=(0,02-Ю,06) кВт-ч/т и по сравнению с известными типами конвейеров снижается в среднем на 30%. Расхождение результатов численного анализа и экспериментальных исследований составляет не более 11-14%.

6. Разработаны инженерные методы расчета импульсного роликового конвейера для транспортирования и ориентирования грузов и импульсного тележечного конвейера с рекомендациями по выбору основных конструктивных и режимных параметров работы конвейеров, а результаты исследования переданы ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ЗАО «Волжский литейный завод», ОАО «Тяжмаш» для использования при проектировании импульсных конвейеров для перемещения штучных грузов.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Лускань, Олег Александрович, 2011 год

1. Ивановский К.Е. Теоретические основы перемещения штучных грузов. М.: Машиностроение, 1969. — 166 с.

2. Ивановский К.Е., Раковщик А.Н., Цоглин А.Н. Роликовые и дисковые конвейеры и устройства. М. Машиностроение, 1973 — 216 с.

3. Спиваковский А.О., Дьячков В.К. Транспортирующие машины: Учеб. пособие для машиностроительных вузов. — 2-е изд., перераб. — М.: Машиностроение, 1968. — 504 с.

4. Ромакин Н.Е. Машины непрерывного транспорта: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н.Е.Ромакин. М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 432 с.

5. Левинсон В.Н. Транспортные устройства непрерывного действия./

6. М. Киев, Машгиз, 1960. - 364 с.

7. Кузьмина Т.С. Складское хозяйство в логистической системе.

8. Волгоград. Изд-во ВолГУ, 2000. 76 с.

9. Проектирование автоматизированных участков и цехов: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/ В.П. Вороненко, В.А. Егоров, М.Г. Косов и др.; Под ред. Ю.М. Соломенцева. 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2000. -272 с.

10. Гибкие производственные комплексы/ Под ред. Белянина и В.А. Лещенко. М.: Машиностроение, 1984. - 384 с.

11. Белянин П.Л. и др. Гибкие производственные системы: Учеб. пособие для машиностроительных техникумов/ П.Н. Белянин, М.Ф. Идзон, A.C. Жогин. М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.I