5. Transportoare elicoidale

5.1. Destinaţie, costrucţie, clasificare

Transportoarele elicoidale se folosesc la transportul diferitelor produse agricole granulare sau pulverulente sub orice unghi de înclinare faţă de planul orizontal. Se mai folosesc şi în alte scopuri: amestecătoare, extractoare, alimentatoare, dozatoare etc.

Construcţia transportorului elicoidal este prezentată în figura 5.1.

Figura 5.1. Construcţia transportorului elicoidal orizontal1. carcasă; 2. spiră elicoidală; 3. fereastră de alimentare; 4. fereastră de evacuare

În funcţie de destinaţia transportorului, acesta poate fi prevăzut cu una sau mai multe ferestre de alimentare, respectiv evacuare.

Organul activ al transportoarelor elicoidale este spira elicoidală (figura 5.2.). Spira elicoidală cu unul sau două începuturi, fig.5.2.a. şi b., se foloseşte la transportul materialelor granulare, pulverulente şi în forma de bucăţi mici. Spira realizată sub forma unei benzi cu un început (fig.5.2.c.) este destinată la transportul rădăcinoaselor mari (sfeclă) şi a altor materiale formate din bucăti mari. Ea se foloseşte de asemenea la transportul materialelor granulare şi pulverulente. Spiralele în formă de palete (fig.5.2.d.) se folosesc în construcţia amestecătoarelor.

În cazul transportoarelor formate din mai multe tronsoane, spirele elicoidale se execută corespunzător cu lungimea tronsoanelor carcasei îmbinându-se apoi între ele. În figura 5.3. se prezintă îmbinarea a două tronsoane ale transportoarelor elicoidale.

Din punct de vedere al caracterului mişcării materialului în carcasă se disting două categorii de transportoare elicoidale:

lente; rapide.

La transportoarele elicoidale lente, influenţa forţei centrifuge este neînsemnată, caracterul mişcării fiind determinat în special de greutatea materialului şi de forţele de frecare. Materialul execută o deplasare în lungul carcasei ocupând spaţiul dintre arbore şi partea inferioară a carcasei. Viteza periferică maximă a spirei elicoidale este 1 – 1,5 m/s. Se folosesc la transportul materialului în plan orizontal sau într-un plan ce face un unghi de cel mult 200 cu planul orizontal.

La transportoarele elicoidale rapide o influenţă deosebită o au forţele centrifuge carearuncă materialul peste arbore. Materialul se dispune sub forma unui strat inelar în trepte. Cea mai mare parte din material execută o mişcare elicoidală în timp ce o mică parte scapă prin jocul dintre spiră şi carcasă. Transportoarele elicoidale verticale şi cele cu înclinare mare lucrează cu randament maxim (debit maxim şi consum minim de energie) în cazul în care viteza periferică a spirei elicoidale este 2,8 – 6 m/s.

Figura 5.2. Soluţii constructive de spire elicoidalea. spira elicoidală cu un început; b. spiră elicoidală cu două începuturi; c. spiră sub formă de

bandă; d. spiră sub formă de palete

Figura 5.3. Înbinarea a două tronsoane ale transportoarelor elicoidale

După forma organului activ transportoarele elicoidale pot fi: cu spiră plină; cu spiră întreruptă; cu spiră sub formă de bandă; cu spiră sub formă de arc elicoidal.

După modul de folosire: maşini speciale de transport; subansamble ale altor maşini agricole.

Transportoarele elicoidale au următoarele avantaje: simplitate constructivă; întreţinere uşoară;

siguranţă în exploatare; izolarea materialului de mediul înconjurător; uşurinţa încărcării şi descărcării intermediare; gabarit mic, preţ de cost redus.

Principalele dezavantaje sunt: strivirea produsului transportat ca urmare a intrării acestuia între spira elicoidală şi

carcasă sau deteriorarea acestuia ca urmare a frecării cu spira elicoidală şi cu carcasa; necesitatea unei alimentări uniforme; consum specific de energie ridicat (cu 50 – 100% mai mult decât la transportoarele cu

organ flexibil de tracţiune).

5.2. Calculul transportoarelor elicoidale lente5.2.1. Calculul unghiului de înclinare, a diametrului exterior şi a pasului spirei

elicoidale

Datorită mişcării de rotaţie a spirei elicoidale materialul este antrenat într-o mişcare intermitentă şi o mişcare de înaintare uniformă în lungul jgheabului. Mişcarea de rotaţie este intermitentă deoarece după ce materialul s-a rotit cu unghiul faţă de planul vertical, alunecă pe spira elicoidală în jos sub acţiunea propriei greutăţi şî mişcarea de rotaţie încetează. La viteze de rotaţie mari ale spirei elicoidale, materialul va fi aruncat peste arbore, consumându-se o cantitate suplimentară de energie. Pentru evitarea acestui fenomen se impune:

(5.1.) - unghiul la care are loc surparea materialului - unghiul de taluz natural în repaus.

Se consideră un transportor elicoidal înclinat cu unghiul faţă de planul orizontal. Unghiul de înclinare al spirei elicoidale corespunzător diametrului maxim este , figura 5.4.

Figura 5.4. Schema de calcul a unghiului de înclinare a spirei elicoidale la transportoarele lente

Sub acţiunea forţelor prezentate, o particulă de material se deplasează din punctul M în M’ după care rămâne în echilibru. Se alege un sistem de axe de coordonate xM’yz şi scriem ecuaţiile de echilibru:

(5.2.)

(5.3.)

(5.4.)

(5.5.)

(5.6.)

(5.7.)

(5.8.)

Împărţind relaţia 5.8. la rezultă:

(5.9.)

La transportoarele orizontale, .

(5.10.)

Diametrul exterior şi pasul spirei elicoidale se aleg în funcţie de granulaţia materialului transportat şi de debitul transportorului (conform STAS 7627-82).

Pasul spirei elicoidale se determină cu relaţia: (5.11.)

- diametrul maxim şi respectiv minim al spirei elicoidale - unghiurile de înclinare ale spirei elicoidale faţă de un plan perpendicular pe arbore

corespunzătoare celor două diametre.Pasul spirei se alege în funcţie de granulaţia produsului astfel încât să se evite blocarea

bucăţilor de material transportat între spira elicoidală şi carcasă. (5.12.)

Valorile mai mari se adoptă pentru transportoarel orizontale, iar cele mici pentru transportoarel înclinate.

Valorile recomandate pentru diametrul exterior al spirei elicoidale sunt: 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630 şi 800 mm, iar pentru lungimea transportorului: 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5 şi 4 m. Lungimi cuprinse între 4-30 m se obţin prin combinarea lungimilor de bază de mai sus.

5.2.2. Calculul capacităţii de transport

Într-un sistem de coordonate xOyz se reprezintă linia elicoidală cilindrică pe care pe care se consideră un punct oarecare M (figura 5.5.) ale cărui coordonate sunt:

(5.13.)

Figura 5.5. Spira elicoidală reprezentată într-un sistem de axe

Viteza axială a punctului M de pe spira elicoidala este:

(5.14.)

Pentru determinarea vitezei cu care se deplasează materialul sub acţiunea spirei elicoidale analizăm mişcarea unei particule M ce se află pe suprafaţa spirei elicoidale. În cazul în care între particule şi spiră nu există mişcare relativă şi deci nici frecare, aceasta va avea viteza normală (figura 5.6.).

Figura 5.6. Schema de calcul a vitezei axiale de deplasare a materialului de către spira elicoidală

(5.15.) (5.16.)

Când apare frecarea, viteza absolută a particulei va fi deviată cu unghiul de frecare faţă de viteza normală.

(5.17.)

Viteza axială a materialului va fi: (5.18.)

Viteza radială a materialului se calculează cu relaţia:

(5.19.)

Din figura 5.7., unde este prezentată desfăşurata spirei elicoidale rezultă:

(5.20.)

(5.21.)

Figura 5.7. Desfăşurata spirei elicoidale pe lungimea unui pas

Notând relaţiile 5.20 şi 5.21. se pot scrie:

(5.22.)

(5.23.)

Ţinând seama de realaţiile 5.22. şi 5.23., viteza axială şi radială se calculează cu relaţiile:

(5.24.)

(5.25.)

Se observă că viteza materialului depinde de pasul spirei, unghiul de înclinare al spirei, coeficientul de fracare dintre material şi spira elicoidală şi de viteza de rotaţie a acesteia. Deoarece

se micşorează pe măsură ce diametrul creşte, din relaţiile 5.18. şi 5.19 rezultă că particulele dispuse în straturile de lângă arbore au viteza minimă iar cele din straturile periferice au viteză maximă.

Pentru determinarea vitezei axiale medii a materialului transportat se face ipoteza că, carcasa transportorului este plină cu material. Se consideră un element de material de suprafaţă (figura 5.8.).

Figura 5.8. Schema de calcul a vitezelor medii ale materialului

(5.26.)Viteza axială medie este dată de relaţia:

(5.27.)

(5.28.)

(5.29.)

(5.30.)

(5.31.)

(5.32.)

(5.33.)

(5.34.)

Viteza radială medie a materialului se calculează cu relaţia:

(5.35.)

În cazul transportoarelor elicoidale folosite în fermele zootehnice:mm

În aceste condiţii:

; ;

(5.36.)

Capacitatea de lucru a transportorului se calculează cu relaţia: (5.37.)

- aria secţiunii transversale a transportorului (m2) - masa volumică a materialului (kg/m3)- coeficient de corecţie care ţine seama de micşorarea gradului de umplere al

transportorului datorită înclinării - coeficientul de umplere a carcasei de material

Coeficientul de umplere al transportoarelor orizontale lente în conformitate cu STAS 7627-82 are următoarele valori:

- pentru materiale neabrazive în vrac cu densităţi de 0,3-0,8 t/m3, unghiul taluzului până la 300, granule de formă sferică sau ovoidală (materiale din clasa I);

- pentru materiale puţin abrazive, cu densităţi în vrac 0,5-1,8 t/m3, unghiul de taluz natural 30-400, granule de formă neregulată (materiale din clasa II)

- pentru materiale abrazive, cu densitate în vrac 0,6-3,2 t/m3, unghiul de taluz natural peste 400, granulometrie neregulată (materiale din clasa III).

5.2.3. Calculul puterii necesare acţionării transportorului

Cantitatea de material existent la un moment dat în carcasă este:

(5.38.)

în care: - masa de material pe un metru din lungimea transportorului; - lungimea transportorului.

Spira elicoidală trebuie să învingă forţa rezistentă datorită ridicării produsului în plan vertical şi datorită frecării produsului cu carcasa:

(5.39.) - coeficientul de frecare dintre material şi carcasă.

Forţa de antrenare a produsului de către spiră (se face analiza între deplasarea materialului de către spiră şi deplasarea unei sarcini pe un plan înclinat) se determină ţinând seama de figura 5.9.

Figura 5.9. Schema de calcul a forţei de antrenare a materialului de către spira elicoidală (5.40)Puterea corespunzătoare se calculează cu relaţia:

[kW] (5.41.)

- viteza periferică a spirei corespunzătoare centrului de presiune

Puterea necesară acţionării transportorului:

(5.42.)

- coeficient care ţine seama de răvăşirea şi strivirea materialului; - randamentul transmisiei.

Puterea necesară acţionării transportorului elicoidal se mai poate calcula cu relaţia:

(5.43.) - puterea necesară pentru transportul materialului; - coeficient de demarj - coeficient de corecţie al puterilor mici - coeficient de corecţie în funcţie de modul de alimentare - coeficient de corecţie ce ţine seama de proprietăţile fizico- mecanice ale materialului,

[kW] (5.44.)

- debitul de material, t/h - lungimea transportorului, m - coeficient total de rezistenţă la înaintarea materialului, pentru produse agricole

- coeficient de corecţie a rezistenţei la înintare.Coeficientul de corecţie a rezistenţei la înintare în funcţie de diametrul exterior al spirei şi de

densitatea materialului în vrac se determiă din figura 5.10 (STAS 7627-82).

Figura 5.10. Monograma pentru determinarea coeficientului de corecţie a rezistenţei la înaintare

— material clasa I; --- material clasa II; -.-.- material clasa III

Coeficientul de corecţie în funcţie de modul de alimentare al transportorului are valorile: alimentare cu debit constant

alimentare cu debit variabil extragerea materialului din buncăre

5.3. Calculul transportoarelor elicoidale rapide5.3.1. Calculul capacităţii de transport

Capacitatea de lucru a transportoarelor elicoidale rapide se calculează cu relaţia 5.37. în care coeficientul de umplere are următoarele valori:

- transportoare verticale - transportoare înclinate.

Viteza axială medie a materialului se poate calcula ca şi în cazul transportoarelor elicoidale orizontale cu relaţia 5.33. însă în acest caz reprezintă o funcţie ce trebuie determinată din condiţia de echilibru a forţelor ce acţionează asupra materialului.

Schema forţelor care acţionează asupra materialului, în cazul transportoarelor elicoidale verticale, este prezentată în figura 5.11.

Figura 5.11. Schema forţelor ce acţionează asupra materialului în cazul transportoarelor elicoidale verticale

Condiţia de echilibru a particulei este dată de relaţia:

(5.45.)

(coeficientul coeficientul de frecare pe spiră)

(5.46.)

(5.47.)

(5.48.)

Cu ajutorul relaţiei 5.48 s-a construit o monogramă, figura 5.12. Determinarea unghiului respectiv a coeficientului este indicată cu săgeţi. Valoarea coeficientului astfel obţinută se introduce în relaţia 5.33. şi se calculează şi apoi se poate calcula capacitatea de transport.

În proiectare, viteza axială medie se poate determina cu relaţia:

(5.49.)

Alegând parametrii constructivi şi din relaţia 5.33. se paote determina turaţia a spirei elicoidale.

Figura 5.12. Nomogramă pentru determinarea unghiului şi a coeficientului

5.2.3.Calculul turaţiei minime a spirei elicoidale

La transportoarele elicoidale verticale există o viteză de rotaţie critică sub care nu poate fi ridicat materialul pe verticală. Aceasta corespunde cazului în care viteza axială a materialului

. Din relaţia:

(5.50.)

(5.51.)

Din relaţia 5.48. rezultă:

Ţinând seama de relaţia 5.51. rezultă:

(5.52.)

Relaţia permite calculul valorii minime a coeficientului cinematic , respectiv a turaţiei spirei la care materialul are o viteză axială nulă. Turaţia minimă este dată de relaţia:

(5.53.)

Turaţia spirei elicoidale calculată din condiţia de debit trebuie să fie mai mare decât turaţia minimă.

5.3.3. Calculul puterii necesare acţionării transportoarelor elicoidale verticale şi înclinate

Puterea necesară învingerii frecărilor dintre material şi carcasă se calculează cu relaţia:

[kW] (5.54.)

- viteza absolută medie de deplasare a materialului; (5.55.)

- forţa centrifugă care acţionează asupra materialului.

Figura 5.13. Schema de calcul a puterii la transportoarele elicoidale verticale

Volumul elementar de material (figura 5.13. a.) este: (5.56.)

(5.57)

(5.58.)

Puterea necesară ridicării materialului pe verticală şi pentru învingerea frecărilor dintre material şi spira elicoidală se calculează cu relaţia:

(5.59.)

- forţa periferică în secţiunea medie a spirei elicoidale (figura 5.13.b.)

Valoarea lui se determină în mod asemănător cu determinarea forţei de antrenare la transportoarele orizontale.

(5.60.) - masa materialului aflat în carcasă la un moment dat.

(5.61.)

(5.62.)

- forţa periferică aplicată pe muchia exterioară a spirei elicoidale (figura 5.13.c.)

(5.63.)

- unghiul pe care îl face viteza absolută a produsului cu axa spirei elicoidale.

Puterea necesării antrenării transportorului se calculează cu relaţia:

(5.64.)

- coeficient ce ia în considerare răvăşirea şi zdrobirea produsului; pentru materiale cu granulatie mijlocie si mare;

pentru materiale cu granulatie mica (făinuri).- randamentul mecanic al transmisiei.

La transportoarele elicoidale înclinate puterea poate fi calculată în acelaşi mod ca la transportoarele verticale.

[kW] (5.65.)

Puterea se calculează cu realaţia 5.59. unde:

(5.66.)

(5.67.) Puterea necesară ridicării materialului şi pentru învingerea frecărilor dintre material şi spiră

se calculează cu relaţia 5.59., iar puterea necessară antrenării transportorului elicoidal înclinat cu relaţia 5.64.

5.4. Construcţia părţilor componente ale transportoarelor elicoidale

Executarea axactă a spirei elicoidale dintr-o de tablă nu este posibilă deoarece suprafaţa elicoidală este o suprafaţă nedesfăşurabilă.

O metodă aproximativă pentru determinarea dimensiunilor semifabricatului, pentru o spiră corespunzătoare unui pas este indicată în continuare. Se consideră cunoscute dimensiunile spirei:

. În figura 5.14. se prezintă schema de calcul a dimensiunilor demifabricatului pentru o spiră corespunzătoare unui pas.

Figura 5.14. Schema de calcul a dimensiunilor semifabricatului pentru o spiră corespunzătoare unui pas

Lăţimea spirei se determină cu relaţia:

(5.68.)

- dimensiunile semifabricatuluiLungimile spirei la exterior şi la interior sunt date de relaţiile:

(5.69.)

(5.70.)Rezultă:

(5.71.)

De unde:

(5.72.)

(5.73.)Unghiul la centru la care trebuie decupată tabla este dată de relaţia:

(radiani) (5.74.)

Arborii se execută din OL50 rotund sau ţeavă. Spirele elicoidale din benzi sau foi din OL37.Carcasa transportoarelor elicoidale lente se conţionează sub formă de jgheab, iar la

transportoarele elicoidale rapide se folosesc carcase cilindrice.Dimensiunile ferestrei de alimentare a transportorului:

la transportoarele lente- lungimea (5.75.)- lăţimea (5.76.)

la transportoarele rapide (5.77.)

Dimensiunile ferestrei de evacuare pentru toate tipurile de transportoare: lungimea (5.78.)

lăţimea (5.79.)

Pentru ferestrele de descărcare trebuie prevăzute şubere de reglare a secţiunii acestora în cazul folosirii mai multor ferestre de descărcare.

Carcasa transportoarelor elicoidale lente se execută din mai multe tronsoane de 1 ÷ 2 m fiecare, iar carcasa transportoarelor verticale se recomandă să se execute dintr-o singură bucată. Ele se confecţionează din tablă din OL37 cu grosimea de 1 ÷ 2,5 mm.

Transportoarele elicoidale spirale reprezintă sistem de transport continuu de construcţie mai recentă folosite în special în fermele de păsări şi porci la transportul, amestecarea şi dozarea diferitelor nutreţuri sub formă de făină, grăunţe sau granule cu dimensiuni până la 20 mm. La aceste transportoare organul de lucru este format din două sau trei spirale elicoidale (resoarte) montate una în alta, ce se rotesc în interiorul unei carcase elastice sau rigide din material plastic sau metal anticoroziv, rezistent la uzură.