Нурмухамед Б.С.

Кызылординский Государственный Университет имени Коркыт Ата

ОБОРУДОВАНИЕ ШНЕКОРОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА ДЛЯ РАБОТЫ ТРАНШЕЙНЫМ СПОСОБОМ

Строительство оросительных систем пока остается очень трудоемким и дорогим. По объему, затратам труда и стоимости работ первое место в строительстве каналов занимают земляные работы. На их долю приходится до 60-80% полной сметной стоимости сооружения. Существующие технологии, по которым ведутся земляные работы, предусматривают использование большого и разнообразного количество землеройной техники.

Применение многопроходного способа ведения земляных работ роторными экскаваторами /I/ позволяет повысить производительность труда, уменьшить количество занятых землеройных машин и повысить показатели технологического процесса разработки грунта и его перемещения за пределы сооружения. Совмещение технологических операции разработки грунта и профилировки поверхности сооружения, выполняемых одновременно одним роторным экскаватором /2/, упрощает технологию строительства и улучшает ее качественные показатели.

Однако, до последнего времени применить роторные экскаваторы для работы без технологической выемки не представлялось возможным, из-за высокой энергоемкости процесса разрушения и перемещения грунта вертикальным винтовым конвейером известной конструкции, обладающего свойствами прямого геликоиде. Поэтому потребовалось всестороннее излучение закономерностей процесса перемещения грунта вертикальным конвейером, нахождение оптимальной конфигурации его рабочей поверхности и определения радиуса центра тяжести грунтового потока.

Как известно, объемная производительность вертикального винтового конвейера определяется произведением средней осевой скорости движения материала вдоль оси шнека на площадь поперечного сечения потока транспортируемого материала. Задача осложняется тем, что скорость перемещение частиц материала в зависимости от их расположения на этой площади – различная, хотя закон их движения одинаков. Это легко пояснить, если представить вращение прямой винтовой поверхности в виде перемещения с семейства прямоугольных треугольников (Рис. I), у которых высота постоянна и равна шагу шнека, а основание равно длине окружности с радиусом равным расстоянию от рассматриваемой точки до центра вращения.

За один оборот шнека при наличии трения материальная точка не только переместится в осевом направлении на определенную величину, но и в то же время отстанет в осевом и окружном направлении, на что оказывают значительное влияние величина шага шнека и угол подъема винтовой линии.

С увеличением угла подъема винтовой линии увеличивается общее осевое отставание перемещаемого материала и как следствие – уменьшается осевая и увеличивается окружная скорости. Причем их абсолютные величины, по мере удаления рассматриваемой точки от центра вращения, изменяются в обратную сторону, т.к. угол подъема винтовой линии шнека уменьшается в направлении к периферии винтовой поверхности, а центробежные силы при этом возрастают.

Для устойчивой работы шнека необходимо, чтобы внутри вертикального сечение перемещаемого материала не было участков, в которых материал находясь в состоянии неустойчивого равновесия, скользит вниз.

Такие участки образуется только вокруг вала шнека, где центробежные инерционные силы и силы сцепления частиц между собой малы вследствие небольших расстояний от частиц материала до оси вращения. Кроме того, около вала угол подъема винтовых поверхностей шнека α достигает наибольшего значения, что также способствует осыпанию материала вниз и снижает производительность транспортера. На такое перемещение материала бесполезно расходуется мощность. Во избежание обратного перемещения транспортируемого материала диаметр , обозначающего границу осыпающегося вниз материала необходимо уменьшить, по крайней мере, до величины диаметра вала d (Рис. 2). Для этого рабочую частоту вращения, как правило, увеличивают. Но при этом интенсивно возникают явления относительного движения материала во всем объеме, что приводит к его перемешиванию и перемалыванию из-за разных скоростей движения по длине радиуса витка шнека.

Для повышения эффективности работы вертикального шнека целесообразно винтовую поверхность по длине радиуса разделить на две зоны. К первой будет относиться зона, для которой угол подъема винтовой (поверхности) лини α < γ, где γ– угол трения транспортируемого материала. Ко второй – участок, для которого α ≥ γ. Поскольку α > γ, то в этом участке создается благоприятное условие для обратного ссыпания вниз транспортируемого материала под действием сил собственной тяжести. Чтобы этого не произошло, образующею в этом участке необходимо наклонить к плоскости, перпендикулярной оси вращения шнека на некоторый угол θ (Рис.3). при этом значение угла θ должно быть не менее угла трения транспортируемого материала γ. Коэффициент трения транспортируемого материала о винтовую поверхность , он не может быть больше единицы, т.е. , тогда θ=.

Во время движения частицы по косой винтовой поверхности составляющая силы тяжести в плоскости винтовой поверхности будет направлена по лини угла наибольшего ската, а не по касательной к винтовой лини (фиг. 3). Поэтому в направления касательной к винтовой лини будет действовать не вся составляющая силы тяжести, а только часть ее. Освободившаяся часть силы тяжести будет создавать эффект самоторможения не давая возможности транспортируемому материалу ссыпаться вниз по направлению винтовой линии под углом α, а также будет уплотнять транспортируемый материал, тем самым уменьшая явление перемешивания и перемалывания и создавая тем самым благоприятные условия перемещаемому материалу для движения вверх как одно целое.

Обозначив угол наибольшего ската через υ, сила тяжести частицы транспортируемого материала раскладывается на две составляющие: нормальную к винтовой поверхности – mg cos υ и касательную к винтовой поверхности, направленную по лини наибольшего ската – mg sin υ . Из фиг.3 видно, что угол наибольшего ската определится условием: , очевидно, что чем меньше угол θ, тем больше угол υ приближается к значению угла α.

Винт получается навертыванием двух клина цилиндр. В случае разделения винтовой поверхности на две зоны, винтовая поверхность образуется навертыванием двух клиньев (фиг.3). При этом винтовая поверхность возле вала шнека образуется навертыванием трехгранного клина, а на периферии – навертыванием двухгранного, которая предназначена только для подъема транспортируемого материала в осевом направлении без перемещения его по радиальному направлению. Применением трехгранного клина реализуются возможность одновременно осуществить подъем, сдвиг и уплотнение транспортируемого материала, при наличии цилиндрического кожуха, что очень важно, поскольку материал, находящийся вблизи вала шнека имеет очень низкую осевую скорость при высокой окружной скорости и под действием последнего подвержен ссыпанию вниз к основанию шнека, вызывая явление перемешивания и перемалывания частиц.

Применение трехгранного клина для образования винтовой поверхности вблизи вала шнека позволяет снизить значение критической частоты вращения , поскольку частицы, подверженные осыпанию вниз, удерживаются на винтовой поверхности и уплотняются, сдвигаясь и оборачиваясь к периферии шнека не за счет инерционных сил, а за счет составляющей силы тяжести. В результате увеличивается производительность шнека не за счет составляющей тяжести. В результате увеличивается производительность шнека при одновременном снижении мощности , расходуемой на преодоление трения транспортируемого материала о винтовую поверхность на 20 ÷30% ниже, чем двухгранных.

Для определения средней осевой скорости необходимо знать радиус центра тяжести при высоте загрузки h (фиг.4). Для этого полученное продольное сечение рассматривается как две фигуры – прямоугольная и треугольная, при этом радиус центра тяжести всей фигуры определяется из общей формулы:

;

где – площадь треугольника;

- площадь прямоугольника;

- сумма прямой и треугольной площади;

и – соответственно радиусы центра тяжести треугольника и прямоугольника, которые

определяются из следующих зависимостей:

= и

Где - наружный радиус винтовой поверхности;

- радиус, соответствующий началу излома прямолинейной образующей.

Определенный таким образом радиус центра тяжести всегда будет больше радиуса центра тяжести для прямолинейной образующей, что вызовет увлечение средне осевой скорости и в конечном счете приведет к уменьшению энергоемкости процесса транспортирования при одновременном увеличение средней осевой скорости и в конечном счете приведет к уменьшению энергоемкости процесса транспортирования при одновременном увеличении общей производительности шнека.

Испытания в лабораторных условиях рабочей поверхности комбинированного профиля, сочетающей в себе свойства прямого и косого геликоидов показали, что материал, находящийся на небольшом расстоянии от оси вращения, где центробежные силы малы, а угол наклона поверхности косого геликоида велик, постоянно стремится переместиться под действием сил собственной тяжести в сторону кожуха шнека по линии наибольшего ската.

Резкое изменение направления движения в месте изгиба рабочей поверхности шнека создает большое сопротивление перемещению грунта в сторону кожуха. Оно усиливается с увеличением толщины потока грунта. Постепенно по мере удаления от оси вращения движение грунта в сторону кожуха уменьшается, а затем и прекращается. На периферийной части прямого геликоида оно отсутствует. В результате раскладки сил разрозненные частицы грунта формируются в единый плотный поток, который перемещается в осевом направлении в сторону выгрузки.

Таким образом, поверхность косого геликоида обладает свойствами самоочищения, когда материал постоянно стремится сойти с его поверхности. В этом ему помогает собственные силы тяжести, угол наклона поверхности и постоянная взаимная связь с грунтом периферийной части, который, имея более высокую осевую скорость, стремиться увлечь его за собой и вызывает в нем через силы трения и липкости ответное побудительное движение в обратную сторону от рабочей поверхности шнека. В конечном итоге перечисленные действующие активные силы преодолевают реактивные силы трения, липкости и взаимного сдвига. В результате трение покоя заменяется трением движения, которое значительное меньше первого.

Поверхность прямого геликоида изменением направления давления тормозит, а затем и останавливается совсем движение грунта от центра вращения в сторону кожуха, что сопутствует уплотнению частиц грунта и формированию их в единый поток материала, перемещающегося в осевом направлении в сторону выгрузки.

Испытания комбинированного рабочего органа вертикального винтового конвейера на шнекороторном экскаваторе показали хорошую работоспособность конструкции на срезке растительного слоя грунта и разработке забоев уширения при многопроходном способе отрывки глубокий выемки как в том, так и в другом случае без отрывки технологической траншей.

Рис. 1. Развертка винтовой Рис. 2. Схема к определению

линии шнека производительности шнека.

1- кожух шнека; 2- вал шнека; 3- зона

материала, перемещающегося в сторону

выгрузки; 4-зона осыпающегося материала.

Рис. 3. Схема работы Рис. 4. Схема к определению центра

комбинированного шнека. тяжести перемещаемого материала

1.рабочая поверхность косого геликоида; 1. Рабочая поверхность косого геликоида;

2.рабочая поверхность прямого геликоида. 2. Рабочая поверхность прямого геликоида.

Литература

1. Сухоруков В.С., Емелин Ю.Б., Долгих А.И. Универсальность и высокая производительность (о новом применении модернизированного шнекороторного экскаватора в водохозяйственном строительстве). Механизация строительства, 1993, №7, с.8.

2. Сухоруков В.С. Без технологической выемки. Механизация строительства, 1993, №10, с.8…9.