Элеваторы

Назначение, общее устройство и классификация Для перемещения кускового, штучного, сыпучего, связного и других материалов по вертикали и с наклоном до 70° к горизонтали  применяют цепные или ленточные элеваторы.

Они различаются:

• по назначению — на стационарные, передвижные и встроенные в различные машины: молотилки, зерносушилки, зерноочиститель­ные и кормоприготовительные агрегаты;
  
• по конструкции рабочего органа — на ковшовые (нории) (рис. 57,а,б,д и е), полочные (рис. 57, в) и люлечные (рис. 57, г);
  
• по способу разгрузки и загрузки — на тихоходные и быстроход­ные.

На рисунке 57,д показан элеватор с ковшами из гибкой ткане­вой ленты, а на рисунке 57,е — элеватор с ковшами без дна, об­разующими сплошной поток груза. Основные достоинства элеваторов: компактность (малые попе­речные габариты); возможность подавать грузы на большую вы­соту (до 45...60 м и выше); большой диапазон производительно­сти — от 1 до 20 м³/ч для сельскохозяйственного производства. Недостатки элеваторов: ударное воздействие на материал; сложность конструкции и чувствительность к перегрузке.

Ковшовые элеваторы и их основные узлы

Ковшовые элеваторы применяют в кормоцехах животноводче­ских ферм, зернохранилищах, зернотоках; для перемещения зерна, муки, корнеклубнеплодов, навоза и других грузов. Транспортируемый материал поступает в загрузочную часть (башмак) элеватора, в котором ковши наполняются зачерпывани­ем или засыпкой, и вместе с тяговым органом поднимается со ско­ростью 0,6...5 м/с. В верхней части (головка) элеватора ковши раз­гружаются под действием на материал центробежных сил и силы тяжести.

Ковши элеваторов делают из листовой стали и резины или пластмассы для предохранения материала от повреждения и сет­чатыми для обезвоживания груза. Ковши применяют двух типов: глубокие (рис. 58, а) — для хорошо сыпучих материалов: зерно, сухой песок — и мелкие (рис. 58, б) — для плохо сыпучих материалов, влажных и слежи­вающихся. Эти ковши закреплены на тяго­вом органе на расстоянии шага t (расставленные ковши). В тихоход­ных элеваторах остроугольные ков­ши (рис. 58, в) монтируют на ленте или цепи один за другим. Приме­няют ковши, снабженные гребенкой для навоза или корнеплодов. Форма ковша определяется ос­новными параметрами: углом чер­пания б, углом среза в, шириной В, вылетом А и глубиной С. Размеры ковшей и их емкость для элеваторов общего назначения устанавливаются по ГОСТ 2086 — 66, а элеваторов специального назначе­ния для зерна и продуктов его пере­работки вместимостью от 0,81 до 11 л — по ГОСТ 4592—65. Ковши для корнеплодов и других кусковых ма­териалов должны иметь размеры: А>l и Б >1,5l где l — наибольшая длина частицы транспортируемого материала. Ковши-крепят болтами с потай­ными головками и заклепками, а пластмассовые и резиновые  — спе­циальным клеем.

Тяговыми органами в элеваторах служат ленты и цепи. Ленты» преимущественно используют в быстроходных элеваторах для зерновых, мучнистых и пылевидных материалов. Для кусковых грузов, а также при наклонном транспортировании чаще применя­ют цепи. Ширину ленты принимают на 35...40 мм больше ширины ковша. Число прокладок ленты (не менее четырех) определяют при рас­чете на прочность. Цепные тяговые органы выполняют из пластинчатых втулочных: и втулочно-роликовых цепей по ГОСТ 588—74 или из овальнозвенных сварных цепей — по ГОСТ 2319—70. При ширине ковшей до 250 мм допустимо применять одну тяго­вую цепь.

Башмак (см. рис. 57, а) — нижняя часть элеватора — состоит из кожуха, загрузочного бункера, системы звездочки (или шкива) с валом и подшипниками, которая при помощи специального на­тяжного устройства может перемещаться в пазах. Ход натяжения винтового натяжного устройства равен для цепных элеваторов 1..1,6 шага цепи и для ленточных 3...5% от их длины. Для предотвращения поломок в башмаке устанавливают рези­новую диафрагму, которая при перегрузках отключает электропри­вод. Бункер для загрузки элеватора расположен у восходящей ветви ковшей, загрузка происходит против хода ленты. Загрузка в элеваторе с расставленными ковшами осуществля­ется зачерпыванием с досыпанием; при сомкнутых ковшах (см.  рис. 57, б) — засыпанием.

Головка элеватора (см. рис. 57) — верхняя часть элеватора — состоит из кожуха, приводной звездочки или шкива, редуктора и останова для предотвращения обратного хода. Приводной механизм элеватора выполняют в виде зубчатой и ременной передачи или редуктора. Для предохранения груза при ударе о кожух его поверхность обкладывают листовой резиной.  

Основы теории ковшового элеватора
Теория ковшовых элеваторов заключается в анализе сил, дей­ствующих на транспортируемый материал, и явлений, происходя­щих с ним в ковше при загрузке и разгрузке. При прямолинейном перемещении частицы материала по верти­кали на нее действует сила тяжести массы. В начале обегания  ковшом шкива или звездочки на материал будет действовать, кро­ме силы тяжести Q = mg, центробежная сила Р_ц = mх²/R, где т — масса частицы материала; R — радиус окружности (рис. 59), по которой движется час­тица материала. Суммарная сила T, действующая на частицу, равна геометри­ческой сумме Q и Р_ц, а ее направление до пересечения с вертикальной осью В отсекает отрезок ОВ, обозначаемый р и называе­мый полюсным расстоянием. Его определяют из подобия треугольников АВО и AQT':

откуда после преобразования и подстановки получим   (189)

Из формулы (189) видно, что полюсное расстояние зависит только от частоты вращения. При p = R, Q = Р_ц или  где D = (125...240) I — диаметр шкива, м;i – число прокладок в ленте; k — коэффициент скорости.

При проектировании в зависимости от соотношения х и D, т. е. по коэффициенту скорости k, можно установить характеристику разгрузки элеватора:

1. при k< 2,2; P'_ц< Q и p₁>R разгрузка (гравитацион­ная) происходит через внутреннюю кромку ковша под действием, силы тяжести, применяют при транспортировании корнеплодов,  силоса, навоза;
2. при k = 2,2; Р''_ц <Q и P₂ = R разгрузка (центробежно- гравитационная) происходит под действием обеих сил, на­чинается при повороте ковша на 25...30°. Применяют в элеваторах малой производительности при транспортировании зерна, отрубей,  кормов;
   
3. при k >2,2;  Р'''_ц<СН разгрузка (центробеж­ная), большая часть материала выбрасывается из ковша через внешнюю кромку под действием центробежной силы. Применяют при большой производительности при транспортировании зерна и других грузов. 

Вид разгрузки и связанные с ней траектории полета частиц материала требуют соответствующего очертания головки кожуха. Особое внимание при проектировании конфигурации головки необ­ходимо уделять при смешанной и центробежной разгрузках. Траек­тория полета любой транспортируемой частицы описывается урав­нениями x = хt и y = 0,5gt² с началом координат в любой точке на окружности радиуса R_x траектории движения ковша; координа­ту x откладывают по касательной к этой окружности в точке по­строения, например в точке а₃ (рис. 60,а); координата у — это- вертикальные отрезки, откладываемые всегда вниз из точекI, II, III и т. д.

Для построения траектории движения частиц материала окруж­ность радиуса R_к делят на несколько частей, из точек a₁, а₂, а₃ и т. д. на окружности проводят касательные К₁, К₂, К₃ и т. д., по  которым откладывают значения x = хt, где t — доля секунды по­рядка 0,1; 0,2; 0,3 и т. д. Из точек I, II, III и т. д. вниз откладыва­ют ординаты y = 0,5gt².

Полученное семейство парабол характеризует тип разгрузки и контуры очертания кожуха головки.

Порядок построения очертания кожуха:
а) построив параболу 1 с наивысшей точкой 3, находим наи­больший подъем материала. Эту же точку 3 можно найти, рассчи­тав высоту Н. Для этого примем начало координат в точке О и обозначим х₀ и у₀, тогда уравнение параболы 1 с наивысшим подъемом имеет вид:

При x₀ = 0 и у₀ = Н получим

б) характерную точку 5 начала очертания кожуха находим определением возможной высоты подъема материала при движеии его вверх по инерции. Тогда h = х²:2g. Подставляя сюда из подобия треугольников АВО и AQT' (см. рис. 59, а) значение х2 = gR²_к: р, получим

в) положив в уравнении параболы 1 (рис. 60), что x₀ = l₁ и y₀ = 0, получим расстояние от центра О до точки 4:

г) кроме характерных точек 5, 3 и 4, строим огибающую пара­болу 2 всех парабол, построенных из точек а₂,а₃, а₄, которая и явится теоретическим очертанием кожуха. Уравнение параболы 2 с началом координат в центре О имеет вид:

Подставив в него x₀ = l₂ и у₀ = 0, получим расстояние до наиболее удаленной от центра О точки 6 на параболе 2:

Разность между l₂ и l₁ даст условную ширину потока материала:

На практике внешний контур кожуха часто выполняют из прямолинейных участков, огибающих теоретическую кривую, как по­казано штриховой линией на рисунке 60, а. Траектории полета частиц материала для элеватора с центро­бежной разгрузкой строят аналогично, но очертание головки эле­ватора с центробежной разгрузкой выполняют по параболе, пере­секающей параболы траектории полета частиц материала так, чтобы угол между касательными в этих точках пересечения состав­лял 14...I8є. Это способствует лучшему отражению частиц материа­ла от стенки кожуха головки.  

Основы расчета ковшового элеватора
Производительность и основные параметры ковшового элевато­ра связаны формулой

где ш = 0,3...0,95— коэффициент наполнения; х = 0,5...3,0 м/с — скорость транспортирования; V — емкость ковша;а = (2,5...3,2) С — расстояние между ковшами; С — высота ковша.

Обычно производительность задается условиями технологиче­ского процесса, тогда по формуле (196) находят требуемую по­гонную вместимость ковшей V: а.

Размеры и емкость ковша подбирают по таблицам ГОСТ. Тип элеватора и вид разгрузки в процессе проектирования согласуют с требованием наименьших сопротивлений, с учетом физико-меха­нических свойств и обеспечения наименьшей «обратной сыпи».

Большие скорости транспортирования назначают для неабра­зивных, нехрупких и менее повреждающихся материалов.

В скоростных элеваторах для зерна и муки скорость ленты до­стигает 4...5 м/с.

Для транспортирования корнеплодов, навоза, силоса рекомен­дуются элеваторы с цепным тяговым органом.

Мощность в элеваторе расходуется на преодоление сопротивле­ний от транспортирования материала, движения ходовой части (холостого хода), от зачерпывания или загрузки груза. Однако точно определить мощность можно только опытным путем, так как она зависит от характеристики транспортируемого материала, скорости движения ковшей, вида разгрузки, способа загрузки ковшей, зазора между контуром ковша и стенками кожуха. Ориентировочно мощность определяют по формуле

где Н — высота подъема материала, м; k = 1,5... 1,15 для ленточных и 1,05...0,75 для цепных элева­торов. Мощность на валу двигателя для элеваторов определяют по формуле:

где k₀ = 1,2... 1,7 — коэффициент запаса мощности, учитывающий перегрузку при пуске, и коэффициент полезного действия з = 0,6...0,85.

По этой мощности в катaлоге подбирают двигатель и его ха­рактеристику, затем выполняют кинематический и тяговый расче­ты элеватора. Проверка пускового момента и мощности подобна изложенной для ленточного транспортера. Для тягового расчета можно воспользоваться методом обхода по контуру.

Натяжение сбегающей ветви тягового органа в точке 1 (рис. 60, б) будет равно S_сб = S₁ = S_min +gq₀H, здесь S_min = S₂, т. е. наименьшее предварительное натяжение, при­нимаемое равным 500...2000 Н или определяемое из соотношения (рис. 60,б) S_minе ≤ g(G_м + G_к)e, где G_м и G_k — соответственно массы груза и ковшей; е = 0,5 A — эксцентриситет; е — величина отрыва ленты от направляющей. Натяжение в точке 3 с учетом всех сопротивлений S₃ = S_min + W_зач + W_п + W_л, где  W_зач  = k_зачgq —сопротивленис зачерпыванию при k_зач = 2...5; W_п + W_л  = оS_min — сопротивление в подшипниках и от изгиба ленты. Коэффициент о = 0,08...0,04; большие значения — для подшипни­ков скольжения и лент с большей толщиной. Наибольшее натяжение набегающей ветви в точке 4 с учетом динамической составляющей (только для цепного тягового органа) S₄ = S_наб = S_mах = S₃+g(q+q₀)H +S_дин,  (199) где q — погонная масса груза, кг/м; q₀ — погонная масса ковшей, кг/м.

По максимальному усилию S_mах рассчитывают число прокладок ленты при запасе прочности n₀ = 10... 12:

где [K_p] = 55 и 115 кН/м — предел прочности одного слоя ленты; К₀ = 0,7...0,9 — коэффициент, учитывающий ослабление ленты отверстиями.

Цепи выбирают по разрушающей нагрузке S_раз = n₀S_max, где n₀ = 8...10 для пластинчатых цепей и 8...14 для круглозвенных сварных цепей.: Окружное усилие на приводном валу P = (S_наб - S_сб)(1 + о), и мощность двигателя с учетом коэффициента запаса равна  N = (l,1...1,2)Pх.

Чтобы лента не скользила по шкиву, необходимо выполнение условия Р_ф> Р, т. е. усилие фрикционного сцепления должно быть больше окружного усилия:   

5 здесь (0,54...0,67) — соответственно для гладкого шкива и обтяну­того резиной при б = 180°.  

Применение элеваторов
В сельскохозяйственном производстве и на предприятиях по переработке сельскохозяйственных продуктов ковшовые элеваторы бывают:стационарные, применяемые на элеваторах и мельницах для транспортирования зерна, в кормоприготовительных цехах живот­новодческих ферм для перемещения кормов к машинам, в бунке­ры, закрома, дозаторы;
переносные, используемые для периодического обслуживания технологических процессов на животноводческих фермах;
встроенные в различные сельскохозяйственные машины для межоперационного транспортирования продуктов: в молотилках, кормоприготовительных, зерноочистительных и зерносушильных установках.

Элеватор, встроенный в сложную машину (рис. 61,б), приводит в действие вал, расположенный в башмаке. При такой кинематике машины натяжное устройство необходимо располагать в головке элеватора, т. е. у верхнего шкива или звездочки, что следует учи­тывать при расчете. Ковшовые элеваторы применяют в самоходных погрузочных машинах в качестве питателя, например, погрузчик Д-565, машина МВС-4 для выгрузки грузов из железнодорожных вагонов и др. \ Применение ковшового элеватора НПК-30 производительностью 30 м³/ч на выгрузке навоза показано на рисунке 61, а. Эле­ватор 3 верхним концом шарнирно закреплен на конструкции зда­ния, а нижний подвешен на тросовом полиспасте 2 лебедки 1. При­водной механизм 4 состоит из электродвигателя мощностью  2,8 кВт, редуктора и цепной передачи. Вместимость ковша 12 л.