Снижение шума аэродинамических процессов в производственных системах транспортирования на воздушной подушке

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................... 6
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ
АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА В ПРОИЗВОДСТВЕН! 1ЫХ СИСТЕМАХ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЁ РЕШЕНИЯ
1.1. Эволюция применения воздушной подушки в технических задачах транспортирования............................. 14
1.2. Анализ производственных систем транспортирования на воз-
душной подушке с позиции шумообразования.................. 21
1.3. Обзор конструкций сопел и устройств для образования струйных потоков создания воздушной подушки.................... 46
1.4. Традиционные методы и подходы к определению уровня аэродинамического шума........................................... 56
1.5. Анализ методов расчета технических характеристик произволе! венных систем транспортирования на воздушной подушке.......................................................... 76
1.6. Цель и задачи исследования................................ 88
2. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ХАРАКТЕРИСТИК
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ В УСЛОВИЯХ СНИЖЕНИЯ ШУМООБРАЗОВАНИЯ
2.1. Экспериментальное исследование влияния конфигурации внутреннего канала сопел на шумообразование в производственных системах транспортирования на воздушной подушке. 91
2.2. Экспериментальное исследование влияния конфигурации профиля короткой отклоняющей стенки на шумообразование в производственных системах транспортирования на воздушной подушке....................................... 108
2.3. Конструктивное и экспериментальное обоснование снижения уровня шума методом скрытия внутри конструкции струйных потоков................................................... 114
2.4. Конструктивное и экспериментальное обоснование снижения уровня шума методом стабилизации толщины воздушной подушки ....................................................... 124
2.5. Выводы................................................. 129
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМООБРАЗОВАНИЯ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ДВИЖЕНИИ ИЗДЕЛИЙ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
3.1. Методика исследований аэроакустических и гидродинамиче-
. ских характеристик.................................... 131
3.2. Уравнение генерации звука турбулентным потоком в воздушной подушке производственных систем транспортирования на воздушной подушке..................................... 133
3.3. Принцип и порядок определения аэродинамических характеристик воздушной подушки............................. 139
3.4. Математические модели движения воздушных потоков в окрестности твердых поверхностей....................... 170
3.5. Математическая модель автоматической стабилизации толщины воздушной подушки....................................... 183
3.6. Математическая модель образования аэродинамического шума воздушной подушки, формируемой одиночным соплом......................................................... 188
3.7. Звуковая мощность и уровень аэродинамического шума при
работе пневмоконвейеров в условиях реализации эффекта Коанда....................................Ї............. 206
3.8. Выводы................................................. 214
4
4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. Измерение гидродинамических параметров транспортируемого изделия на воздушной подушке.......................... 215
4.2. Измерение гидродинамических параметров взаимодействия затопленной струи воздуха с короткой стенкой в условиях реализации эффекта Коанда.................................. 220
4.3. Измерение шумовых характеристик систем транспортирования на воздушной подушке при условии стабилизации сё толщины.................................................... 225
4.4. Измерение шумовых характеристик сопел при различных режимах работы систем транспортирования на воздушной подушке.................................................... 228
4.5. Измерение характеристик динамики движения изделий на воздушной подушке.......................................... 237
4.6. Методика обработки экспериментальных данных........... 240
5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА АКУСТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
5.1. Цель и задачи методики................................ 252
5.2. Обоснование выбора исходных данных для расчета........ 254
5.3. Выбор рациональной схемы конструкции системы транспортирования на воздушной подушке............................. 255
5.4. Алгоритм определения по заданному предельному уровню аэродинамического шума конструктивных параметров систем транспортирования на воздушной подушке................. 260
5.5. Пример расчета производственных систем транспортирования на воздушной подушке................................... 267
5
6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТОК В
СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
6.1. Акустическая эффективность использования питающих сопел с профильной геометрией внутренней поверхности 272
6.2. Эффективность метода стабилизации толщины воздушной подушки................................................ 276
6.3. Практическая эффективность реализации струйных методов управления в пневмоконвейерах.......................... 279
6.4. Примеры практического использования производственных систем транспортирования на воздушной подушке с пониженным уровнем шума.................................... 282
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ............................. 287
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................. 289
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Таблицы экспериментальных данных аэродинамических характеристик производственных систем транспортирования на воздушной подушке.................... 318
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Таблицы экспериментальных данных шумовых характеристик производственных систем транспортирования на воздушной подушке............................ 330
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Материалы о внедрении результатов научного исследования и другие документы............................. 400
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Настоящая работа посвящена проблеме снижения уровня шума аэродинамических процессов в производственных системах транспортирования на воздушной подушке.
Шум является составной частью среды обитания человека. Начатое еще в глубокой древности изучение акустических явлений к настоящему времени приобрело достаточно завершенный вид научного направления - аэроакустики. Развитие техники и появление производств с высоким уровнем шума создало проблему акустического загрязнения окружающей среды. В области аэроакустики ведутся интенсивные исследования, базирующиеся на глубоких теоретических разработках. Аэроакустика основывается на трудах выдающихся отечественных и зарубежных ученых, в числе которых Релей, сэр Дж. Лайтхилл, Д.И. Блохинцев, Олсон, Е.Я. Юдин, А.Г. Мунин, Голдстейн М., Д. В. Римский-Корсаков и др.
В последние [оды наблюдается ужесточение норм шума в промышленности. Ужесточаются требования к промышленному оборудованию, в том числе, к пнев-мотранспортным системам. Используемые в настоящее время методы защиты такие как, наушники, экраны, вибродемпфирующее покрытие и т.п., не всегда являются удобными и достаточно эффективными. Снижение шума аэродинамических процессов может быть эффективно осуществлено методом снижения шума в самом источнике. Разработка таких методов требует углубления знаний в области прикладной аэроакустики, выявления аэрогидромеханических источников шума, механизмов его образования и передачи в окружающую среду.
В настоящее время во многих отраслях промышленности используются производственные системы транспортирования для межоперационного перемещения изделий. Одним из видов этих транспортных систем являются пневмотранспортные устройства, среди которых выделяются производственные системы транспортирования на воздушной подушке (ПСТ/ВГТ). Эти устройства являются эффективным межоперационным транспортным средством и создают в процессе своей работы, как показывает практика, шум высокого уровня, в котором в качестве доминирующей
7
составляющей присутствует аэродинамический шум, снижение которого является актуальной проблемой.
Анализ производственш,IX систем транспортирования на воздушной подушке, являющихся источниками аэродинамического шума, показал наличие возможных путей снижения его уровня в процессе эксплуатации систем транспортирования, а также показал и всю сложность существующей проблемы. Установлено, что наиболее рациональным подходом к решению этой проблемы как с позиции аэроакустики, так и экономической эффективности, является воздействие на источник аэродинамического шума.
Существующие средства борьбы с аэродинамическими шумами применительно к промышленным системам транспортирования ограничены рядом их особенностей. Как известно, методы снижения шума струи делятся на активные и пассивные. К первому способу активного метода относятся: применение многотрубчатого насадка; сетчатого экрана; вдува дополнительного воздуха в зону смешения струи. Снижение аэродинамического шума струи при использовании этих методов осуществляется вследствие уменьшения градиента средней скорости и усиления процесса смешения. Применительно к промышленным системам транспортирования на воздушной подушке эти методы не могут быть использованы эффективно. Они усложнят конструкцию транспортных устройств, уменьшат скорость воздушных потоков, что отразится негативно на работе системы транспортирования.
Ко второму способу активного метода относят применение звукопоглощающей облицовки эжектора в качестве устройства, изменяющего фазу и амплитуду звуковых волн, отраженных на турбулентный источник струи. При определенных импедансных характеристиках облицовки можно уменьшить шум струи. Этот метод также не приемлем для снижения аэродинамического шума, формируемого воздушной подушкой, т.к. снабдить облицовочным материалом несущие поверхности транспортируемых изделий с технической точки зрения очень сложно.
Для снижения шума струи также используются сопла, создающие «перевернутый» профиль скоростей и температур. При использовании таких сопел, получают значения скорости и температуры потока в начале струи и по ее периферии выше,
8
чем около оси струи. В этом случае звуковые волны, образовавшиеся в пределах струи, не могут выйти за ее границы вследствие рефракции звука, происходящей к оси струи. Применение этого метода в транспортных системах с воздушной подушкой не принесет желаемого эффекта, т.к. потоки воздуха, вытекающего из сопел, практически мгновенно перемешиваются в воздушной подушке и влияние «перевернутого» профиля скоростей сведется к минимуму.
Пассивные методы предусматривают снижение уже образовавшегося шума, посредством применения глушителей, в основном за счет затуханий акустической энергии в звукопоглощающих материалах. Использовать глушители применительно к воздушной подушке достаточно сложно.
Наиболее рациональным подходом было бы обеспечить снижение уровня в источнике аэродинамического шума производственных систем транспортирования путем расположения активных струйных потоков внутри конструкции системы транспортирования. При этом скрытые струи вну три устройства могли бы дать дополнительный положительный эффект, например, обеспечить удаление запыленного воздуха из рабочей зоны системы транспортирования.
Снижение уровня аэродинамического шума можно так же обеспечить, за счет автоматического поддержания толщины воздушной подушки, минимально допустимой величины, не зависимо от удельной нагрузки на опорную поверхность изделия. Проблема стабилизации толщины воздушной подушки, кроме акустической эффективности, могла бы дать положительный эффект и с точки зрения энергосбережения.
В пневмотранспортных системах, практически в каждом устройстве существуют питающие сопла, дроссели, жиклёры, каналы и т.д., являющиеся причиной сдвиговых течений, которые и порождают аэродинамический шум. Поэтому еще одним из подходов для снижения уровня аэродинамического шума является профилирование каналов питающих сопел, формирующих воздушную подушку с пониженным уровнем аэродинамического шума.
Целью работы является развитие научных основ оценки процессов шумооб-разования и снижения в источнике уровня шума аэродинамических процессов в
9
производственных системах транспортирования на воздушной подушке (ПСТ/ВГ1) на стадии проектирования и эксплуатации.
Общая методика исследования построена на сочетании экспериментальных и теоретических методов. В работе применялись: физическое и математическое моделирование; методы динамики сплошных сред; методы аэроакустики; стандартные, адаптивные и оригинальные лабораторные методы исследования с использованием современных измерительных средств и электронно-вычислительной техники. Полученные результаты обрабатывались по типовым программам с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы состоит:
- в установлении закономерностей генерирования звука турбулентным потоком в воздушной подушке, выраженные в детерминированных разработанных и полученных для уровня звука физико-математических моделях, позволяющих определять численные оценки акустических характеристик ПСТ/ВП;
- в получении волнового уравнения относительно потенциала скорости малых возмущений для течения в воздушной подушке на основе теории Дж. Лайтхилла и методик Д.И. Блохинцева и А.Г. Мунина;
- в получении физико-математической модели генерации звука воздушной подушкой, сформированной одиночным соплом;
- в получении уравнения, связывающего эквивалентный уровень звукового давления и звуковой мощности затопленной струи, формирующей воздушную подушку, с параметрами системы «ПСТ/ВП — изделие»;
- в получении физико-математической модели снижения уровня шума затопленной струи в условиях реализации эффекта Коанда;
- в получении физико-математической модели стабилизации толщины воздушной подушки;
- в экспериментальном определении профиля внутреннего канала сопел и короткой отклоняющей сгенки (эффект Коанда), снижающий уровень шума воздушных струй в ПСТ/ВП.
10
Практическая ценность работы. В результате работы созданы пригодные для практики:
- методика расчета уровня аэродинамического шума производственных систем транспортирования на воздушной подушке;
- методика расчета акустической эффективности и динамических характеристик пневмотранспоргных устройств линейных перемещений;
- методика расчета гидродинамических характеристик производственных систем транспортирования на воздушной подушке.
Разработки данной работы были использованы на предприятии пищевой промышленности. В частности, на Воронежском гормолзаводе №2 был сдан в эксплуатацию в 1982 г. гшевмоконвейер с автоматической стабилизацией толщины воздушной подушки для транспортирования пачек масла.
» *
По материалам разработок автора на НПО «Электроника» (1984-1994 гг.) были изготовлены опытные образцы автооператора на воздушной подушке для участка гальванических покрытий. Были проведены испытания автооператора гальванического участка, которые показали положительные результаты. Был подготовлен промышленный образец для производственного участка, но экономическая ситуация в
о
стране несколько изменилась, произошло перепрофилирование производства. Автооператор на воздушной подушке остался не востребованным.
До 1991 года тема воздушной подушки относилась к разряду закрытых тематик, поэтому разработки с использованием воздушной подушки достаточно широкого применения в гражданской промышленности не находили. В настоящее время положение изменилось. На предприятиях по производству мебели в г. Воронеже были опробованы ориентирующие столы на воздушной подушке для плоских мебельных заготовок. В устройстве раскроечного центра с числовым программным управлением SELCO ЕВ 80 ACTIVE были изменены конфигурации внутренних каналов питающих сопел в несущей поверхности стола с воздушной подушкой на участке загрузки и выгрузки заготовок. Проведенная модернизация позволила получить снижение аэродинамического шума на участке раскроя мебельных деталей на 4-г 5 дБ Л.
11
С 2002 года по настоящее время были испытаны и внедрены модернизированные устройства для бесконтактного межоперационного транспортирования штучных изделий на воздушной подушке на Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ОАО «ВЗПП-С»). Были модернизированы устройства линейных перемещений, аэродинамические захватные устройства, ориентирующие устройства и устройства разделения потоков изделий. Результатом модернизации стало снижение уровня шума на участке производства транзисторов и диодов на 4+6 дБА.
С 2007 года на малярном участке производственно коммерческого предприятия «ВОРОНЕЖАВТОСЕРВИС» применяются распылительные форсунки с профилированными внутренними каналами, вид профиля которых выполнен в соответствии с рекомендациями автора. Модернизированные сопла позволили снизить уровень шума на 4+5 дБА.
Научные положения диссертации используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». Результаты исследований внедрены на предприятиях г.Воронежа в ПСТ/ВП с эффектом снижения уровня шума.
На защиту выносятся:
- результаты экспериментального исследования влияния формы короткой отклоняющей стенки и внутреннего канала сопла, формирующего затопленную струю и воздушную подушку на уровень аэродинамического шума затопленной струи;
- физико-математическая модель генерации звука турбулентным потоком в воздушной подушке ПСТ/ВП с учётом математической модели движения изделий на воздушной подушке;
- физико-математическая модель поведения затопленной струи в условиях реализации эффекта Коанда и уровня шума её аэродинамических процессов;
- физико-математическая модель стабилизации толщины воздушной подушки;
- методика расчета уровня шума аэродинамических процессов в ПСТ/ВП и конструктивных параметров, обеспечивающих не превышение заданного уровня шума ПСТ/ВП.
12
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований но теме диссертации опубликованы в 67 печатных работах (в т.ч. 13 статей в рецензируемых журналах списка ВАК, 18 патентов и авторских свидетельств) и апробированы на научных конгрессах, конференциях, семинарах, выставках.
Материалы диссертации доложены на XV Всесоюзном совещании по пневмоавтоматике (Львов, 1985 г.); на X Международной конференции «Пневматические и гидравлические устройства и системы управления. Яблона-86» (Москва, 1986 г.); на третьей Всесоюзной конференции «Динамика процессов и аппаратов химической технологии» (Воронеж, 1990 г.); на VI Всесоюзном симпозиуме по пневматическим (газовым) приводам и системам управления (Москва, 1991 г.); на Международной конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 1997 г.); на Международной научно-технической конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (Новомосковск, 1997); на XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002 г.); на международной практической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2003 г., 2004 г., 2005 г.); на VI российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2003); на Международной научно-практической конференции «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего», посвящённой 50-летию лесоинженерного факультета ВГЛТА (Воронеж, 2004 г.); в Международной школе семинаре «Новое в теоретической и прикладной акустике» (Санкт-Петербург, 2003 г.); на международном конгрессе но вибрации и акустике «Proceedings of the Eleventh International Congress on Sound and Vibration.» (Санкт-Петербург, 2004 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы лесног о комплекса» (г. Воронеж, 2005 г.); на первом международном экологическом конгресс (Третья международная научно-техническая конференция) ELPIT 2007 «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленнотранспортных комплексов» (Тольятти, сентябрь 2007г.); на II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (г. Санкт-Петербург, март 2009 г.); на совме-
13
стном заседании кафедр «Электроакустика и ультразвуковая техника» и «Безопасность жизнедеятельности» в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете («ЛЭТИ») (29 апреля 2009 г.).
На Международной специализированной выставке «Безопасность и охрана труда» (Москва, 2003 г.), а также на региональной выставке «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2003 г., 2004 г., 2005 г.) был представлен экспонат «Пневматический конвейер с автоматическим переключением струйных потоков и пониженным шумоизлучением».
Особую благодарность и признательность автор выражает д.т.н., профессору Виктору Фёдоровичу Асминину за его внимательное, терпеливое и доброжелательное отношение к проблемам, возникающим в ходе работы над диссертацией и ценные указания гго преодолению этих проблем. Гак же автор выражает глубокую благодарность проф. Л.Ф. Дроздовой (БІТУ, «ВОЕНМЕХ», г.Санкт-ГІетербург) за ценные рекомендации по содержанию темы диссертации и обоснованию приоритетов в работе, д.т.н., проф. И.М. Фадину (БГТУ, «ВОЕНМЕХ», г.Санкт-Петербург) за внимательное отношение к теме диссертации, д.ф.-м.н., проф. Н.Н. Матвееву (ВГЛТА, Воронеж) и д.т.н., проф. B.C. Петровскому (ВГЛТА, Воронеж) за ряд ценных указаний, д.т.н., проф. Д.И. Станчеву (ВГЛТА, Воронеж), к.ф.-м.н., В.И. Лисицыну (ВГЛТА, Воронеж), д.т.н., проф. В.Я. Манохину (ВГАСУ, Воронеж) за доброжелательное отношение и полезные замечания и пожелания.
Для проведения экспериментальных исследований в распоряжение автора была предоставлена специальная аппаратура Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, за что выражается особая признательность д.т.н., профессору Ю.Ф. Устинову.
Автор выражает свою искреннюю благодарность коллегам, сотрудникам кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ВГЛТА, а также инженерно-техническим работникам, рабочим ряда предприятий за оказанную помощь и содействие при апробации разработок в производственных условиях.
14
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ
АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЁ РЕШЕНИЯ
1.1. Эволюция применения воздушной подушки в технических задачах транспортирования
Идея использовать воздушную подушку в качестве несущего элемента для транспортных средств возникла несколько сотен лет назад. Эволюция идей, связанных с использованием воздушной подушки показана в табл. 1.1-1, из которой видно, что до середины 20-го века воздушная подушка в основном использовалась для совершенствования транспорта, обеспечивающего грузопассажирские перевозки. Применительно к производственным условиям воздушная подушка стала использоваться в системах межоперационного транспортирования, начиная с момента подачи Бобровым В.П. заявки на изобретение «Способ транспортирования штучных грузов по наклонному лотку» [1.5]. Им было предложено обеспечить скольжение груза по наклонному лотку при угле наклона меньше угла трения, за счет создания воздушной подушки между опорной поверхностью груза и поверхностью лотка.
Однако применение воздушной подушки для транспортирования штучных изделий, комплектующих деталей и заготовок обладало, некоторой не востребованностью и сдерживалось отсутствием необходимых технологических требований к процессу транспортирования. На рубеже 20-21 веков, в связи с бурным развитием научно-технического прогресса и новых технологий в сфере электроники, фармакологии, пищевой промышленности, деревообрабатывающих производств и т.д. одним из условий технологического процесса стало требование к качеству материалов и изделий, производство которых обусловлено жестким соблюдением технологических режимов. Одним из важных этапов технологического процесса является меж-операционное транспортирование, которое в некоторых случаях требует исключение нежелательного механического контакта транспортируемых изделий с рабочими
15
органами. Задачу бесконтактного межоперационного транспортирования эффективно способны выполнить производственные системы транспортирования на воздушной подушке.
Таблица 1.1-1. Эволюция использования воздушной подушки в транспортных
системах
Год пуб- лика- ции Краткое содержание разработки
1 2
1716 Шведский философ Э. Сведенборг разработал аппарат, который должен был удерживаться над опорной поверхностью слоем воздуха, нагнетаемою иод куполообразное дно двумя лопастями, приводимыми в действие человеком.
1853 Русский архитектор Иванов предложил так называемый «трехкильный духоплав», поддерживаемый над водой воздухом, нагнетаемым под дно ручными насосами.
1874 Начал свои исследования «по воздушной смазке судов» известный английский кораблестроитель Дж. Торникрофт.
1897 Американец Кубертсон запатентовал судно, в котором угадываются черты современных снеговых - с бортовыми стенками - аппаратов на воздушной подушке.
1909 Ш. Террик построил железную дорогу длинной 153 м, в которой вагоны «парили» над рельсами на высоте 1 мм за счет нагнетания воздуха между рельсами и охватывающими их «лапам и-скользу нами».
1909 Шведский инженер X. Динесон разработал детальный проект первого торпедного катера на воздушной подушке.
1916 Австриец Д. Томамюль построил первый торпедный катер на воздушной подушке, развивавший скорость 74 км/ч! В последующие годы этой идеей много занимались в Англии, США и Швеции.
1918 Русский инженер В. Нелов предложил свой вариант «скользящей гидравлической или пневматической повозки» - она скользила над плоской поверхностью на подушке из воды или воздуха.
1927 Основоположник современной космонавтики К. Э. Циолковский (1857- 1935) опубликовал в Калуге свою работу «Сопротивление воздуха и скорый поезд». 13 ней Константин Эдуардович предложил новый вид транспорта - на воздушной подушке, продемонстрировал ясное понимание его преимущества, проделал кое-какие расчеты и конструктивные разработки. Конструктивные разработки Циолковского наиболее близки именно к схеме Белова. Болес того, он сумел оценить мощности, погребные для создания воздушной подушки и тяги, нашел наивыгоднейшее удлинение аппарата, оценил полное сопротивление, допустимые радиусы кривизны пути, КПД энергетической установки. Не исключено также, что работа Циолковского сыграла важную роль в деле популяризации идеи воздушной подушки в нашей стране.
16
Продолжение таблицы 1.1-1.
1 2
1927 В Новочеркасске профессор В. Левкои начал свои теоретические и экспериментальные исследования но созданию судов на воздушной прослойке.
1934 Первые работы по исследованию течений в тонких слоях были выполнены Пегровым П.П. [16.21 и получили дальнейшее свое развитие в работах Рейнольдса (>.[16.3]. Были созданы газостатические и газодинамические подшипники.
1935 В Новочеркасске профессор В. Левкои построил свой первый катер на воздушной подушке Л-1.
1935 Финн Т. Карпио строит первый экраноплан (экранодст), аппарат, «скользящий» на динамической воздушной подушке.
1959 В.Г1. Бобровым была предложена применительно к производственным условиям идея транспортирования штучных изделий на воздушной подушке [1.5|.
Дальнейшее развитие идей использования воздушной подушки в технических задачах транспортирования изделий в различных производствах было осуществлено в работах Козловского М.А., Иванова A.A., Мори X., Ябе X., Битюкова В.К., Коло-дёжного В.H., Мурзинова В.Л., Петросюка М.И., Пискорского Г.А. и др.
Транспортирование изделий на воздушной подушке по сравнению с иными способами обладает рядом преимуществ [3.9]:
- наличие воздушной подушки под транспортируемым изделием исключает его контакт с несущей поверхностью транспортной системы;
- удельное силовое воздействие на поверхность изделия со стороны воздушной подушки достаточно мало, что обеспечивает сохранение формы легко-деформируемым изделиям;
- допускается совмещение различных технологических процессов (нагревание, охлаждение, сушка и т.д.) с процессом бесконтактного транспортирования, динамический режим которого может достаточно легко изменяться во время работы транспортной системы;
- допускается гибкая пространственная ориентация несущей поверхности.
В некоторых производствах, например, в электронной промышленности бесконтактное перемещение изделий на воздушной подушке является единственно возможным условием транспортирования.
17
(Водоизмещаютие суда)
18К
ВерголС'1 ы) [ Сверхзвуковые пассажирские '''\ самолеты
2
3
4
1ц V
Рис. 1.1-1. Схема-диаграмма Кармана-Габрислли. СПК ~ суда па подводных
крыльях; СВГ1 - суда на воздушной подушке; МГ1Э - малые пассажирские экра-
нонланы. ... г , ; Лг - запас хода транс-
кВт • час
портного средства, клг, МТ — номинальная мощность транспортного средства, кВт; т - возможное время движения транспортного средства, час; V - скорость движения транспортного средства, км/час.
Энергетическая оценка производственных систем транспортирования на воздушной подушке в сравнении с существующими транспортными средствами показана на схеме-диаграмме Кармана-Габрислли (рис. 1.1-1), которая позволяет оценить совершенство транспортного средства и его ходовые качества. Чем ближе распола-
рациональнее данная конструкция с позиции использования энергоносителя (воздух). Энергетические показатели производственных систем транспортирования на воздушной подушке имеют несколько худшие значения по сравнению с обычными транспортными средствами для грузопассажирских перевозок. Это можно объяснить тем, что развитие производственных пневмотранспортных систем от момента появления до настоящего времени составляет около 50 лет, в то время как развитие транспорта грузопассажирских перевозок насчитывает более двухсот лет. Однако,
гается показатель К-—транспортного средства к асимптотической линии, тем
/V, т
18
обладая определенными, специфическими возможностями, они являются незаменимыми транспортными средствами в производственных условиях.
В настоящее время существует достаточно широкий спектр конструктивных решений производственных систем транспортирования, допускающих использование воздушной подушки. На рис. 1.1-2 показаны использующиеся в настоящее время пневмотранспортные устройства, в которых использование воздушной подушки либо улучшает их производственные показатели, либо является необходимым условием их функционирования.
{Производственные пневмотранспортные системьд
I
Источники с низким уровнем аэродинамического шума
Источники повышенного аэродинамического шума
шишки с | и см из кон)
(Подшипники с [газовой
[Лнеамоконвенеры)’'
Поддоны,
спу/пн II KII-IIOCUnte.nl
Ленточные конвейеры ни воздушной подушке
Пневмотранспортные установки дин сыпучих материалов
I/не см от ран с парт и ые устройства ничейных перемещений
( Контейнерный I пневмотранспорт
Аэродинамические
шхоитные
устройства
(Ор иен ш и рут и те устройства
-О
Рис. 1.1-2. Производственные системы транспортирования, использующие сжатый воздух и воздушную подушку в качестве несущего элемента.
Пневмотранспортные устройства, использующие в процессе функционирования воздушную подушку, условно можно объединить в три группы. К первой обычно относят устройства, формирующие воздушную подушку низкого давления до 5 кПа. Ко второй группе относят устройства с воздушной подушкой среднего давления (от* 5кПа до 50кПа). Третья группа устройств имеет воздушную подушку высокого давления (более 50 кПа), которая действует таким образом, что сжатый воздух поступает в пространство между ровными, достаточно жесткими поверхностями и
19
выполняет функцию газовой смазки. Газ, выходящий под повышенным давлением из зазоров опор, не загрязняет окружающую среду и предохраняет рабочие поверхности от попадания на них через смазочный зазор пыли, масла и т. п. Средства на воздушной подушке среднего давления стали применять во все возрастающем масштабе в заводских условиях для межоперационного транспортирования изделий [ 19.6]. Транспортные средства на воздушной подушке обеспечивают высокую свободу маневрирования и безвибрационное перемещение грузов, требующих особой осторожности в обращении.
С позиции шумоизлучения все л невмотранспортные устройства, представленные на рис. 1.1-2 условно разделены на две группы. К первой группе, расположенной слева, относятся устройства, у которых уровень аэродинамического шума имеет, весьма малые значения, поэтому они не могут являться предметом исследования задачи снижения уровня аэродинамического шума в источнике.
\Р<
Рис. 1.1-3. Радиальный двухрядный тостатический подшипник. 1 -
цапфа вала, 2 - подшипниковая втулка, 3 - кольцевой канал корпуса, }\ - давление во внешнем источнике
газа, Ра - давление выхода газа во
внешнюю среду, Р(, - давление газа
в ограничителях.
Подшипники с газовой смазкой (рис. 1.1-3) обладают очевидными преимуществами перед подшипниками качения. Они обладают большей быстроходностью, более долговечны, имеют более высокую жесткость, просты в обслуживании. В устойчивом режиме они работают практически бесшумно, их уровень аэродинамического шума не превышает 20 дБ.
Поддоны или спутники-носители (рис. 1.1-4) относятся к классу внутрицехового транспорта, и их использование ограничено производственными территориями. По своей принципиальной конструктивной схеме они используют воздушную подушку высокого давления. При этом они снабжены автономным источником возду-
20
ха (баллоны со сжатым газом, иногда подвод сжатого воздуха по гибкому шлангу). Уровень аэродинамического шума этих устройств также не превышает 20 дБ.
Пневмотранспортные установки с успехом применяются, как внутрицеховой транспорт для сыпучих, волокнистых, мелкодисперсных материалов [2.28]. Уровень шума, создаваемого этой системой транспортирования достигает 40 дБ, благодаря использованию эффективной звукоизоляции.
Рис. 1.1-4. Схема спутника-носителя.
1 - поршень, 2 - запорный клапан, 3 - корпус, 4 - гибкое торцевое уплотнение, 5 — замкнутая герметичная полость, 6 - манжетное уплотнение.
Контейнерный пневмотранспорт предназначен для транспортирования различных грузов в таре между цехами, площадками и территориями предприятий и представляет собой трубопроводы, по которым штучные грузы перемещаются в специальных контейнерах. Контейнеры движутся под давлением сжатого воздуха, нагнетаемого в трубопровод воздуходувными агрегатами [29.1]. Уровень шума, создаваемого при работе приемоотправочных станций, не более 35 дБ. Опыт промышленной эксплуатации внутризаводских систем контейнерного пневмотранспорта подтверждает их высокую эффективность работы.
Ко второй группе производственных систем зранспортирования на воздушной подушке, представленных на рис. 1.1-2 справа, относятся пневмотранспортные системы, в которых доминирующим является повышенный аэродинамический шум достигающий 96 дБ. Обладая высокими техническими характеристиками, эти устройства не находят широкого применения в силу ограничений, накладываемых всё возрастающими экологическими требованиями в борьбе с акустическим загрязнением окружающей среды. Анализ этих транспортных систем с позиции шумообразо-вания представлен в разделе 1.2.
21
1.2. Анализ производственных систем транспортирования на воздушной подушке с позиции шумообразования
Пневмотранспортные системы с повышенным аэродинамическим шумом, рассмотренные в разделе 1.1, представлены в талб. 1.2-1, где показаны их средние значения уровней шума.
Таблица 1.2-1. Источники аэродинамического шума производственных систем ______________транспортирования на воздушной подушке_____________________
Тип устройства Давление в рабочих органах Источник аэродинамического шума Уровень шума, дБ(А) Возможные нуги снижения аэродинамического шума в источнике
I. Пиевмоконвейеры Среднее Сопло без изделия. 96 1. Профилирование внутреннего канала питающих отверстий. 2. Профилирование отклоняющих стенок. 3. Стабилизация толщины воздушной подушки. 4. Экранирование акустически активной части струи элементам иконе-! РУК11И и.
Сопло под изделием.
Воздушная подуй і ка
2. Лсн гочпые конвейеры на воздушной подушке Среднее Сопло под изделием. 82 1. Профилирование внутреннего канала питающих отверстий. 2. Стабилизация толщины воздушной подушки.
Воздушная подушка
3. Пиевмотрансиорт-ные устройства линейных перемещений Низкое. среднее, высокое Сопло под изделием. 75 1. Профилирование внутреннего канала питающих отверстий.
Воздушная подушка
4. Аэродинамические захватные устройства Среднее, высокое Сопло без изделия. 96 1. Профилирование отклоняющих стенок.
Сопло под изделием.
Воздушная подушка
5. Ориентирующие устройства Среднее Сопло без изделия. 84 1. Профилирование внутреннего канала питающих отверстий.
Сопло под изделием.
Воздушная подушка
22
Пневмоконвейеры относятся к наиболее эффективным средствам межопераци-онного транспортирования. Несмотря на разнообразие конструкций конвейеров с воздушной прослойкой, все они имеют примерно одинаковую принципиальную схему. Основные части пневмоконвейера - это несущая поверхность 1 (рис. 1.2-1), с расположенными в ней питающими соплами 2, пневмокамера 3, соединённая посредством патрубков с источником сжатого воздуха, например, с воздуходувной установкой 4. Для придания изделию 5 поперечной устойчивости в процессе его транспортирования на несущей поверхности устанавливаются механические Офаж-дения в виде направляющих планок.
Рис. 1.2-1. Принципиальная схема конвейера с воздушной подушкой: 1 - несущая поверхность, 2 - питающие сопла, 3 - пневмокамера, 4 - воздуходувная установка, 5 - транспортируемое изделие. А - участок подготовки изделия к транспортированию, Б - участок приема транспортируемого изделия, К - пневматический конвейер.
Пневматическая питающая камера 3, как правило, имеет коробчатую конструкцию [1.26, 1.28, 1.34, 1.36]. Не верхняя панель выполняет функцию несущей поверхности 1. Например, в некоторых конвейерах пневматическая камера выполняется в виде отрезка трубопровода [2.27], не связанною непосредственно с несущей поверхностью. Однако во всех случаях питающие сопла 2 запитываются сжатым воздухом одновременно и сообщаются между собой посредством пневмокамеры. Питающие сопла выполняют основную задачу - подают сжатый воздух под транспор-
23
тируемое изделие для создания под ним воздушной подушки. Их конструктивное исполнение самое разнообразное: от обычных сквозных отверстий до сложных конструктивных элементов, снабженных системой управления.
Питающие сопла размешаются в несущей поверхности несколькими параллельными рядами [3.1, 3.13], наиболее часто располагающимися или в шахматном порядке [3.21, 1.26], или в виде одного центрального ряда вдоль осевой линии несущей поверхности. Характер расположения питающих сопел в несущей поверхности обусловливается параметрами транспортируемых объектов и шагом питающих сопел, который не должен превышать половины длины транспортируемого изделия.
Работают пневмоконвейеры следующим образом. Сжатый воздух подаётся гю патрубкам (рис. 1.2-Г) в пневмокамеру, выходя из которой через питающие сопла попадает в промежуток между опорной плоскостью транспортируемого изделия и несущей поверхностью, образуя воздушную подушку^. Перемещение изделий на воздушной подушке вдоль несущей поверхности может осуществля ться за счет следующих воздействий
- потока воздуха, создаваемого струйным течением [3.13, 3.24];
- скатывающей силой по наклонной несущей поверхности (при углах наклона порядка 1° и менее [1.5]);
- силами электромагнитного поля [10.3];
- внешнего механического воздействия [3.24].
Источниками аэродинамического шума в работающем пневмоконвейере являются струйные течения. Па рис. 1.2-2 схематично показаны основные источники аэродинамического шума, создаваемого при перемещении изделий на воздушной подушке. Источниками аэродинамического шума здесь являются струйные потоки, формируемые питающими соплами и течениями в тонких слоях между твердыми поверхностями, при условии, что одна из поверхностей находится во взвешенном состоянии. При этом звуковой поток имеет выраженную направленность, совпадающую с направлением течения потока в воздушной подушке. Как правило, в иневмоконвейерах, не зависимо от их конструктивного исполнения, струйные тече-
24
ния различных типов имеют развитую турбулентную структуру, являющуюся источником повышенного шума.
Течение через отверстие является дозвуковым, так как отношение давлений при вытекании из отверстия меньше некоторой критической величины, равной для воздуха 1,89 (отношение давления перед отверстием к давлению за отверстием). Критическое число Рейнольдса, при котором происходит отрыв потока, истекающего из отверстия, и образуется струя, зависит от остроты кромки отверстия.
,/
г/4
Рис. 1.2-2. Схема расположения аэродинамических источников шума в процессе транспортирования изделия по пневмоконвейеру. 1 - транспортируемое изделие, 2 - несущая поверхность, 3 - питающее сопло, Л - интенсивность аэродинамического шума, и\ - источник аэродинамического шума, формируемый питающим соплом, и2 - источник аэродинамического шума в турбулентном течении воздушной подушки, м3 - источник аэродинамического шума н пограничном течении, //4 -источник аэродинамического шума в турбулентной затопленной струе.
Главный консультант по акустике и борьбе с шумом фирмы «Дюпон» Т.Д. Дир считает, что характерная величина критерия Рейнольдса, рассчитанная по диаметру отверстия сі, составляет ~ 100. Когда поток отрывается от кромки отверстия, образуется цилиндрический вихревой слой, форма поперечного сечения которого
1 л/1 л/2 ,иЗ
25
близка к форме отверстия. Вихревой слой обычно не устойчив, и возникает волна, бегущая вдоль слоя и похожая на волны, бегущие по флагу, трепещущему на ветру. Когда эти волны усиливаются, они, в конце концов, распадаются и в истекающем потоке образуются тороидальные дискретные вихри [6.6].
При истечении из круглого отверстия волна производит перистальтическую деформацию вихревого слоя, сжимаемого через равные промежутки времени. Возникновение волны на вихревом слое соответствует осевым колебаниям потока, истекающего через отверстие, что акустически эквивалентно источнику звука типа монополя. Такой характер течения имеет место в пневмоконвейерах с простыми питающими соплами в виде цилиндрических или щелевых отверстий.
Эти пневмоконвейеры лишены функции управления скоростью транспортирования изделий. Например, у пневмоконвейеров с постоянным углом наклона струйных потоков скорость транспортируемых изделий постоянно увеличивается, что в ряде случаев оказывается нежелательным.
Пневмоконвейеры со струйным управлением обладают способностью управлять углом наклона струй [1.38, 1.41], за счет того, что отверстия в нижней пластине выполнены в виде щелей, большая ось которых перпендикулярна продольной оси пневмоконвейера, а стенки отверстий в верхней пластине выполнены плоскими. На рис. 1.2-3 изображен внешний вид пневмоконвейера со струйным управлением. На рис. 1.2-4 показан пневмоконвейер со смещенными пластинами и отклоненными струями.
Пневмоконвейер состоит из пневматической камеры 1 с установленной над ней нижней неподвижной пластиной 2 со щелевыми соплами 3 и несущей поверхностью 4 с прямоугольными отверстиями 5 и бортами 6. Несущая поверхность 4 имеет возможность перемещаться вдоль продольной оси пневмоконвейера.
Пневмоконвейер работает следующим образом. В пневматическую камеру 1 подается сжатый воздух. Щелевые сопла 3, обеспечивают формирование плоских струй, которые будут вертикальными, если оси прямоугольных отверстий 5 несущей поверхности 4 и оси щелевых отверстий 3 совпадут. Изделие, помещенное на этот пневмоконвейер, не будет испытывать со стороны струй ускоряющего действия. Но
26
если несущую поверхность 4 сместить относительно нижней на величину Д (рис. 1.2-4), то струи отклонятся в сторону, противоположную смещению. Изделие начнет двигаться под действием струйных потоков и течения в воздушной подушке, между несущей поверхностью пневмоконвейера и опорной плоскостью изделия. При смещении верхней пластины 4 на величину Д в противоположную сторону, струи также отклонятся в другую сторону и движение изделия изменится на противоположное.
Рис.1.2-3. Пневмоконвейер с управлением величиной угла наклона струй на основе эффекта взаимодействия плоской струи и короткой стенки (эффект Коанда). 1 - пневмокамера, 2 - нижняя неподвижная пластина, 3 - щелевое отверстие, 4 - несущая поверхность, 5 - прямоугольные отверстия, 6 - ограничительные борта.
Наличие подвижных элементов всегда снижает надежность конструкции, поэтому более предпочтительными являются устройства, содержащие либо минимальное число элементов, либо не имеющее подвижных механических элементов. На рис. 1.2-5 показан пневмоконвейер, в работе которого реализуется эффект Коанда. При этом в конструкции самого пневмоконвейера отсутствуют подвижные механические части.
6
А-А
Рис. 1.2-4. Взаимное положение подвижной пластины, щелевого сопла и ору и. Л - величина смещения подвижной пластины.
27
Для регулирования скорости движения штучных изделий, в этом пневмоконвейере используются управляющие пневматические сигналы, подаваемые по каналам 6. Такой принцип струйною управления используется в системах автоматического управления, или более конкретно в пневмонике.
Наличие большого количества струйных потоков делает пневмоконвейеры шумными. Эго становится особенно очевидным, если учесть, что в промышленных пневмоконвейерах, производящих межоперационное транспортирование изделий на десятки метров, количество питающих сопел достигает значительной величины.
А-А
Рис. 1.2-5. Пнсвмоконвсйер с управлением углом наклона струй на основе эффекта взаимодействия плоской струи и короткой стенки (эффект Коанда). I - пневмокамера, 2 - несущая поверхность, 3 - щелевое отверстие, 4 - карман, 5 - полость для управляющего сигнала, 6 - каналы для управляющего сигнала.
Причиной возникновения повышенного шума является наличие в прямоугольном отверстии верхней пластины острой кромки, создающей в области отклоненного струйного потока вторичные течения. Это показано на рис. 1.2-6, где представлен фрагмент конструкции пневмоконвейера, включающий щелевое отверстие нижней пластины, часть отверстия верхней пластины, часть пневматической камеры и струю в отклоненном положении. На стенке прямоугольного отверстия верхней пластины отклоненная струя формирует эжектируемый поток у и вторичный поток р, который, взаимодействуя с основным потоком а, образует зону макротурбулентности б, являющейся дополнительным источником аэродинамического шума. Наличие зоны б в отклоненном струйном потоке нарушает ламинарный режим теме-
28
ния в воздушной подушке под транспортируемыми изделиями, что повышает уро-
Рис. 1.2-6. Фрагмент пневмоконвейера с короткой отклоняющей стенкой, а - направление основного потока струи; Р - вторичный поток на стенке прямоугольного отверстия верхней пластины; у -эжектируемый поток; 5 — зона дополнительной макротурбулентности, Т - область пониженного давления.
Ориентировочно характеристики источников шума существующих пневмоконвейеров показаны в талб. 1.2.-2.
Таблица 1.2-2. Характеристика источников шума существующих пневмокон-_______________вейеров______________________________________________________
Место источника шума Физическая причина шумообра-зования Тип источника Приблизительный уровень шума, дБ
Питающее сопло, не перекрытое граиспорти-руемым изделием Поток воздуха является затопленной струей. Диполь. монополь 55-70
Питающее сопло, под гранспортируемы.ч изделием І Іогок воздуха, представляет собой течение в канале, одна из стенок которого не имеет фиксированного положения. Квадруполь 50-55
Воздушная подушка Турбулентный режим течения в зазоре между опорной поверхностью изделия и несущей поверхностью пневмоконвейера Квадруполь 75-80
Короткая отклоняющая стенка Соударение отклонённой струи с короткой стенкой и формирование вторичного вихря Диполь. квадруполь 78-82
Ленточные конвейеры на воздушной подушке являются разновидностью пневмоконвейеров [7.1]. В ленточных конвейерах (рис. 1.2-7) с большой эффективностью используется воздушная подушка, обеспечивающая равномерное распределение нагрузки на опорные элементы конструкции.
вень её аэродинамического шума.
29
Рис. 1.2-7. Схема ленточного конвейера на воздушной подушке. 1 - лента. 2 -стойки, 3 - приводной барабан. 4 - привод, 5 - натяжные ролики, 6 - пневмокамера.
Ленточные конвейеры на воздушной подушке имеют разнообразное исполнение, различные способы подачи воздуха, организацию ленты с нагрузкой и без нее, обеспечивают транспортирование всевозможных грузов. В ленточных конвейерах на воздушной подушке большое значение имеют системы уплотнения под рабочей ветвыо ленты, т.к. от этого зависит количество подаваемого воздуха и, соответственно, экономический показатель.
В конструкции ленточного конвейера на воздушной подушке [1.25] предусмотрены гибкие камеры, уменьшающие периферийное растекание воздуха из воздушной подушки (рис. 1.2-8). Сжатый воздух, подводимый вентилятором в поддон, выходит через сопла под ленту, образуя воздушную подушку. Одновременно воздух поступает в гибкие камеры, которые поднимаются вместе с лентой, полотно прижимаются к ней и тем самым запирают воздух в подушке. Лента поднимается на величину, ограниченную размерами гибких камер. После этого между лентой и камера-
Рис. 1.2-8. Схема ленточною конвейера на воздушной подушке. 1 - лента, 2 - привод. 3 - натяжная станция, 4 - желобок, 5 - вентилятор. 6 - поддон, 7 - сопла, 8 - гибкая камера. 9 - воздухопровод.
6
ми образуется зазор, через который воздух будет выходить из подушки. Давление в ней уменьшится, и лента перекроет зазор.
При разработке ленточных конвейеров на воздушной подушке иногда учитываются свойства транспортируемого материала, и это дает возможность получить технический эффект - уменьшение, например, расхода воздуха. На рис. 1.2-9 показан ленточный конвейер на воздушной подушке [1.30], позволяющий транспортировать ферромагнитные сыпучие и штучные фузы, имеет пониженный расход воздуха. Это достигается тем, что в ленточном конвейере установлены дополнительные элементы - разнополюсные магниты.
Ленточный конвейер работает следующим образом. Сжатый воздух подается через нагнетательные патрубки в пространство между лентой и желобом, вследствие чего часть ленты скользит по воздушной подушке. В данной конструкции лента не находится полностью в состояние левитации, а отрывается от желоба только между полюсами. Магнитные полюса, воздействуя на ферромагнитный груз, увеличивают нормальное давление ленты на несущий жёлоб, и участок ленты над пакетом не отрывается от несущего жёлоба, а скользит по нему. Таким образом, воздух не может прорваться из-под ленты ввиду наличия зон магнитного прижатия, что значительно снижает расход воздуха и улучшает технико-экономические показатели конвейера.
Одним из направлений снижения расхода воздуха является конструктивное решение, использованное в ленточном конвейере на воздушной подушке |56.1], показном на (рис. 1.2-10). В этом конвейере лента и несущий жёлоб снабжены продольными рёбрами, являющимися лабиринтным уплотнением и обеспечивающими снижение расхода воздуха.
Рис. 1.2-9. Схема ленточного конвейера на воздушной подушке. 1 — неферромагнитный опорный желоб, 2 - лента, 3 - поддерживающие ролики, 4 - боковина, 5 — постоянные магниты противоположной полярности, 6 - магнитопровод, 7 - нагнетательные патрубки, 8 - ферромаг нитный груз.
Рис.1.2-10. Схема ленточного конвейера на воздушной подушке. 1 - лента, 2 - жесткое основание несущего жёлоба, 3 - стойки, 4 - ролики для ветви холостого хода, 5 -воздуховод, 6 - продольные ребра, 7 - параллельные каналы, 8 - канал подачи воздуха.
Все технические решения совершенствования функционирования ленточных конвейеров на воздушной подушке направлены на снижение расхода потребляемого воздуха, но эти совершенствования не решают проблемы снижения уровня шума. Основным источником шума в их работе является струйное течение, формируемое щелевым зазором между транспортёрной лентой и поверхностью несущего жёлоба. Воздушная подушка под транспортёрной лентой также излучает высокоуровневый аэродинамический шум. Загрузка транспортёрной ленты, как правило, бывает не равномерной, и на участках с меньшей нагрузкой толщина воздушной подушки больше, что порождает повышенный аэродинамический шум.
Характерные источники шума ленточных конвейеров на воздушной подушке показаны в табл. 1.2-3.
Таблица 1.2-3. Источники шума существующих ленточных конвейеров на воз- душной подушке________________________________________________
Место источника шума Физическая причина шумообра-зования Тип источника Приблизительный уровень шума, дБ
Щелевой зазор между транспортёрной лентой и несущим жёлобом Поток воздуха является затопленной струей. Диполь, монополь 55-70
Питающее сопло, иод транспортируемым изделием Поток воздуха, представляет собой течение в канале, одна из стенок которого не имеет фиксированного положения. Квадруполь 50-55
Воздушная подушка Турбулентный режим течения в зазоре между опорной поверхностью изделия и несущей поверхностью пневмоконвейера Квадруполь 75-80
32
Пневмотранспортные устройства линейных перемещений находят широкое применение 13 различных отраслях промышленности. Они используются в автоматических линиях, на гальванических участках, в кондитерском производстве, в электронной промышленности, в угольном производстве и т.д.
Лневмотрапспортное устройство, предложенное В.И. Никитиным и Г.П. Стародубовым [1.32] (рис. 1.2-1 1) и получившее дальнейшее усовершенствование в конструкции H.H. Рахманова [1.40] представлено на рис.1.2-12. Перемещение поршня-уплотнителя по транспортному трубопроводу осуществляется под действием избыточного давления в зоне 12. Одновременно часть воздуха, пройдя через дроссель и шланг в полость корпуса транспортной платформы, приподнимает ее за счет образования воздушной подушки над опорной поверхностью. Поступательное движение платформы 8 осуществляется за счет механической связи с поршнем-уплотнителем, перемещающимся в пневмотранспортом трубопроводе.
Рис. 1.2-11. Схема устройства для пневматического транспортирования 1-рузов на механической тележке. 1 - поршень-уплотнитель, 2 - пневмотранспортный трубопровод, 3 - продольная щель, 4 -транспортная тележка.
Рис. 1.2-12. Схема устройства для пневматического транспортирования грузов на воздушной подушке. 1 - поршень-уплотнитель, 2 - инев-мотранспортный трубопровод, 3 - продольная щель, 4 - клиновидный клапан, 5 - ведущая штанга, 6 - продольное отверстие, 7 - тяга, 8 -транспортная платформа, 9 - защитная эластичная юбка, 10 - шланг, 11 - дроссель, 12 -зона повышенного давления, 13 - опорная поверхность, 14-ролики.
13
33
При движении поршня-уплотнителя элементы управления клапаном в виде
I
роликов извлекают гибкий клапан из щели, направляют его, а ролики 14 фиксируют гибкий клапан в клиновидной щели. Таким образом щель, в месте прохода поршня-уплотнителя в пневмотранспортом трубопроводе для прохода штанги, всегда открыта. За пределами поршня-уплотнителя гибкий клапан удерживается своим весом и уплотняется в клиновидной щели избыточным давлением воздуха. Энергетические затраты на движение платформы на воздушной подушке, по сравнению с движением па колёсах имеют значительно меньшие величины. С позиции шумообразования это транспортное устройство имеет источники шума:
- струйные течения в воздушной подушке, порождающие повышенный аэродинамический шум;
- дросселирование в воздушную подушку сжатого воздуха, формирующего шум, в котором преобладают высокочастотные составляющие;
- механические колёса в поршне-уплотнителе, излучающие механический
шум.
Сжатый
воздух
Рис.1.2-13. Внешний вид пневмотранспортного устройства линейных перемещений. 1 - транспортный трубопровод; 2 - транспортный цилиндр; 3 - грузовая платформа с транспортируемым грузом; 4, 5 - регулируемые дроссели для сброса воздуха в выходную магистраль; 6, 7 - регулируемые дроссели магистрали для подачи сжатого воздуха, 8 - производственный участок.
Для устранения в пневмотранспортном устройстве, рассмотренном выше, механического шума, автором была разработана конструкция пневмотранспортного устройства линейных перемещений, внешний вид которого показан на рис. 1.2-13. Это пневмотранспортное устройство [13.35, 56.4, 56.5] практически не имеет иод-
34
вижных механических частей, кроме, самого поршня-уплотнителя, являющегося составной частью внешнего подвижного элемента грузовой платформы. Пневмотранс-портное устройство линейных перемещений обладает рядом преимуществ - это более низкая металлоемкость, меньшее количество подвижных элементов, обеспечение более простого и более защищенного подвода сжатого воздуха к рабочим органам, удовлетворение более высоким требованиям взрыво-пожаробезопасности [3.27].
А^А
в-в
Рис.1.2-14. Внешний вид и сечения транспортного цилиндра. 1 - транспортный трубопровод; 2 - транспортный цилиндр; 5 - продольное щелевое отверстие; 6 постоянный дроссель; 7 - выходной канал; 8 - лента-клапан; 9 - поршень-уплотнигель; 10 - питающие отверстия: 11 - кольцевая пневмокамера.
Более детально конструкция транспортного цилиндра без грузовой платформы показана на рис. 1.2-14, где видно, что продольное щелевое отверстие в транспортном трубопроводе закрыто лентой-клапаном, выполненной из упругого материала. Внутри транспортного трубопровода установлен поршень-уплотнитель с выходным каналом, находящимся в продольном щелевом отверстии транспортного трубопровода. Через постоянные дроссели и обратные клапаны в выходной канал и, далее в кольцевую пневмокамеру, непрерывно подается сжатый воздух. Кольцевая пневмо-
35
камера снабжена питающими отверстиями, обеспечивающими формирование воздушной подушки между наружной поверхностью транспортного трубопровода и внутренней стенкой транспортного цилиндра.
Управление направлением и скоростью перемещения грузовой платформы осуществятся следующим образом. Например, необходимо осуществить перемещение грузовой платформы (рис. 1.2-13) справа налево с заданной скоростью. Для этого закрывают дроссели 5 и 7, дроссель 4 открывают для соединения с линией низкого давления, а проходное сечение дросселя 6 делают определенной величины, соответствующей заданной скорости перемещения. Во внутренней полости транспортного трубопровода с правой стороны, относительно транспортного цилиндра, создается избыточное давление от сжатого воздуха, поступающего через дроссель 6, а в левой части - давление остается пониженным. На поршень-уплотнитель будет действовать перепад давления, обеспечивающий его перемещение и, соответственно, перемещение грузовой платформы.
Герметичность внутренней полости транспортного трубопровода обеспечивает лента-клапан, перекрывающая продольное щелевое отверстие, как это показано на (рис. 1.2-15). На рис. 1.2-16 изображено пространственное положение ленты-клапана, щелевого отверстия и выходною канала.
\ 8 ч В воздушную подушку ч5 '3
Рис. 1.2-15. Внешний вид и сечения поршня-уплотнителя (транспортный цилиндр не показан). 1 - транспортный трубопровод; 2 - транспортный цилиндр; 3
- кольцевые свертки; 4 - обратный клапан; 5 - продольное щелевое отверстие; 6
- постоянный дроссель; 7 - выходной канал; 8 - лента-клапан; 9 - поршень-уплотнитель.
Кольцевые свертки ленты-клапана внутри поршня-уплотнителя располагаются с противоположных сторон выходного канала. Поэтому при движении поршня-уплотнителя, например, влево, одна кольцевая свертка будет катиться влево, под-
36
талкиваемая выходным каналом, а другая также будет катиться влево, но подталкиваемая внутренней стенкой поршня-уплотнителя. Лента-клапан между кольцевыми свертками будет лежать на внутренней поверхности транспортного трубопровода
Рис. 1.2-16. Пространственное взаимное расположение выходного канала, продольного щелевого отверстия, ленты-клапана и кольцевых сверток. 3 - кольцевые свертки;
5 - продольное щелевое отверстие; 7 - выходной канал; 8 - лента-клапан.
При этом благодаря наличию воздушной подушки, отсутствует механический контакт в элементах данного пневмотранспортного устройства при его работе, что устраняет возможные источники механического шума. Однако, наличие струйных потоков в воздушной подушке, генерирует аэродинамический шум.
Пневмотранспортные устройства линейных перемещений имеют различные источники аэродинамического шума, показанные в табл. 1.2-4.
Таблица 1.2-4. Источники шума пневмотранспортных устройств линейных не ______________реме і цен и й_____________________________
Место источника шума Физическая причина шумообра-зования Тин источника 1 Іриблизительньїй уровень шума, дБ
Дроссель в поршне-уплотнителе І Іоток воздуха, представляет собой течение в канале. Квадруполь 60-96
Пневмот ра 11 спортн ы й трубопровод І Іоток воздуха, формируемый перепадом давления и движением поршня-уплотнителя. Диполь, квадруполь 25-30
Входной патрубок в пневмокамеру транспортной платформы Поток воздуха, представляет собой течение в канале. Квадруполь 60-80
Питающее сопло под транспортируемым изделием Поток воздуха представляет собой течение в канале, одна из стенок которого не имеет фиксированного положения. Квадруполь 50-55
Воздушная подушка Турбулентный режим течения в зазоре между опорной поверхностью изделия и несущей поверхностью пневмоконвейера Квадруполь 75-80
рядом с продольным щелевым отверстием.
37
Аэродинамические захватные устройства относятся к специальному оборудованию, т.к. они применяются для изделий с повышенными требованиями к внешней поверхности в таких производствах, как электронная промышленность, заводы по производству лекарств, пищевая промышленность, мебельное производство и т.д.
Взаимодействие струйных потоков с твердыми поверхностями порождает различные аэродинамические эффекты. Одним из таких эффектов является понижения давления в потоке воздуха [1.7], движущемся в тонком радиально кольцевом канапе от центра к периферии. Используя этот эффект, Козловский М.А. разработал конструкцию струйного присоса для транспортирования плоских деталей [1.18]. На рис. 1.2-17 показана схема конструкции этого присоса.
Струйный присос работает следующим образом. Воздух подастся в сопло. При приближении детали к торцу сопла, воздушная струя преломляется и течет в зазоре между этим торцом и плоскостью детали. При этом, за счет аэродинамического эффекта, деталь прижимается к торцу, причем между соплом и деталью автоматически остается зазор, через который воздух уходит в атмосферу. При прижатии сопла к кипе деталей остается присосанной лишь одна деталі», конфигурация которой вписывается в площадь, ограниченную штифтами. При подъеме сопла штифты выдвигаются и отсекают ориентированные детали.
Рис. 1.2-17. Схема струйного присоса транспортирования плоских деталей. 1 - сопло, 2 - утопающие штифты, 3 - деталь, 4 - торец сопла.
С технической точки зрения достоинствами этого присоса является бескон-тактностг» в процессе захвата и переноса изделия (не считая торцевых ограничителей). С позиции шумообразования этот струйный присос обладает высоким аэродинамическим шумом, порождаемым турбулентным течением в воздушном зазоре ме-
38
жду торцом сопла и изделием.
Пневматический захват Прокопьева B.C., Клокотова Ю.Н., Курдасова Д.А. показан на рис. 1.2-18. Он позволяет захватывать и удерживать изделия, имеющие плоскую поверхность [1.31]. Захват работает следующим образом. Сжатый воздух через подводящий патрубок поступает в корпус. Затем через зазор поступает в диффузор, где скорость его резко возрастает, а давление падает. При этом через сопло происходит отсос воздуха из полости А под обтекателем и в ней образуется разряжение. Далее воздух проходит по кольцевой щели между кожухом и обтекателем и через зазор между кожухом и перемещаемой деталью выходит в атмосферу. При этом происходит динамический отсос воздуха по всему периметру кожуха, образуется разряжение, и перемещаемая деталь наружным давлением плотно прижимается к обтекателю.
Поперечное сечение каналов, по которым проходит сжатый воздух, начиная от цилиндрического зазора в корпусе до выхода в атмосферу, непрерывно увеличивается, что порождает высокую турбулентность потока. Следствием высокой турбу-лизации является повышенный аэродинамический шум.
Поток воздуха способен создавать не только воздушную подушку, но и создавать разряжение, способное удержать заготовку и переместить её. Усов Б.А. и Проць Я.И. разработали конструкцию захвата-присоса, способного удерживать различные заготовки, имеющие разнообразную геометрическую поверхность [1.43]. На рис. 1.2-
Рис.1.2-18. Схема пневматического захвата. 1 - корпус, 2 - подводящий патрубок, 3 - регулировочный винт, 4 - уплотнительное кольцо, 5 - кожух, 6 - обтекатель. 7 - уплотнительное кольцо, 8 - диффузор, 9 --канал, 10 - сопло, 11 - деталь, 12 -• зазор.
А
39
19 показана схема захвата-присоса.
Устройство работает следующим образом. Через отверстие 6 в камеру подается сжатый воздух от источника, который в дальнейшем истекает сквозь кольцевую коническую щель в атмосферу. При истечении из щели, кольцевой поток направляется цилиндрической поверхностью стакана вдоль образующей заготовки, причем направление истечения потока задается расположением самого захвата.
Истечение сплошного кольцевого потока в виде газового цилиндра всегда происходит перпендикулярно торцу захвата. В центре этого потока, т.е. на торце тарелки, образуется разрежение. При подведении захвата к заготовке, например, при помощи толкателя питателя, заготовка под преобладающим аэродинамическим действием возникшего разрежения втягивается внутрь стакана, центрируется потоком газа относительно осевой линии и прижимается к фрикционным элементам. 13 центрированном виде, присосанная к торцу захвата, заготовка транспортируется питателем в зону обработки, например, к зажимному патрону. В момент зажима патроном заготовки прекращается подача сжатого воздуха в камеру и его истечение сквозь щель, приводит к прекращению действия аэродинамической силы присасывания. Захват отводится в исходное положение.
Струйные потоки в этом устройстве являются затопленными струями с развитой турбулентной структурой. Уровень, генерируемого ими шума, может достигать 96 дЬ(Л), что в производственных условиях считается недопустимым.
Характерные источники шума в аэродинамических захватных устройствах показаны в табл. 1.2-5.
з
Рис.1.2-19. Схема захвата-присоса. 1 - корпус захвата, 2 - отверстия, 3 - винты, 4 -коническая тарелка, 5 - цилиндрическая камера, 6 - отверстие, 7 - кольцевая комическая щель, 8 — направляющий стакан, 9 — заготовка (транспортируемое изделие), 10 -фрикционные элементы.