ОГЛАВЛЕНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.............................................. 7
ВВЕДЕНИЕ.......................................................... 8
1 ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ СПОСОБОВ И МЕХАНИЗМОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ СВОДООБРАЗОВАНИЙ
В БУНКЕРАХ ХРАНЕНИЯ И ВЫПУСКА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ... 17
1.1 Обзор существующих способов и механизмов для предупреждения и устранения сводов сыпучих материалов в бункерах и их классификация............................................. 17
1.1.1 Средства выгрузки сыпучих материалов из бункеров...... 18
1.1.2 Конструкторско-технологические способы предупреждения сводообразований в бункерах................................. 18
1.1.3 Механические сводообрушающие устройства............... 21
1.1.4 Пневматические выпускные устройства................... 38
1.2 Текущее состояние научных исследований по хранению и
выпуску сыпучих материалов, склонных к сводообразованию..... 42
1.2.1 Общие сведения о сыпучих материалах................... 42
1.2.2 Обзор научных исследований сыпучести материалов....... 46
1.2.3 Анализ исследований по истечению сыпучих материалов
из емкостей............................................ 49
1.3 Выводы, формулирование цели и задач исследования............59
2 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА КОМПЛЕКСА «БУНКЕР СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА -СВОДООБРУШАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ»....................................... 62
2.1 Математическое описание динамического комплекса............ 62
2.2 Определение силы схватывания отдельных частиц и слоев СМ фиксированной массы в бункере для выбора минимально необходимой силы рабочего органа сводообрушающего
механизма................................................... 76
2
2.3 Выводы.........................................................87
3 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ
И ПАРАМЕТРОВ СВОДОВ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В БУНКЕРЕ.. . 90
3.1 Определение формы и высоты стрелы свода в бункере........... 90
3.2 Расчет энергозатрат на разрушение сводов сыпучих материалов в бункере......................................................95
3.3 Общие положения по расчету производительности выпуска сыпучих материалов из бункера....................................... 98
3.4 Расчет производительности подачи сыпучего материала шнековым механизмом сводообрушителя бункерного устройства во внебункерную емкость....................................... 103
3.5 Энергетическая модель процесса периодического выпуска дозированных масс СМ до полного опоржнения бункера ограниченного объема....................................... 106
3.6 Выводы........................................................112
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫПУСКА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
ИЗ БУНКЕРНЫХ УСТРОЙСТВ С УЧЕТОМ СВОДООБРАЗОВАНИЯ. ..114
4.1 Программа экспериментальных исследований.................:.. 114
4.2 Конструкция и принцип работы экспериментальной установки по оценке эффективности исследуемого сводообрушающего
механизма.................................................... 115
4.3 Методика экспериментальных исследований...................... 120
4.3.1 Методика оценки производительности и энергоемкости процесса выпуска сыпучего материала из бункера........... 121
4.3.2 Методика определения изменения плотности СМ по
глубине засыпки......................................... 123
4.3.3 Методика определения степени влияния угла наклона пластин днища бункера на оценочные показатели его работы.......... 124
4.3.4 Методика определения времени сводообразования и равномерности выпуска........................................ 125
4.4 Характеристика СМ, используемых в экспериментальных исследованиях............................................... 127
4.5 Результаты и анализ экспериментальных исследований............. 128
4.5.1 Влияние ширины щелевого выпускного отверстия на производительность и энергоемкость БУ............... 129
4.5.2 Влияние скорости движения рабочего органа сводообрушающего механизма на производительность и энергоемкость бункера.......................................... 130
4.5.3 Влияние количества рабочих органов сводообрушителя
на производительность и энергоемкость БУ................... 132
4.5.4 Влияние глубины перемещения рабочего органа в полость бункера на его пропускную способность и энергоемкость 134
4.5.5 Результаты экспериментов по оценке влияния уплотнения СМ
в бункере в процессе хранения на его оценочные показатели.. 136
4.5.6 Оценка влияния угла наклона пластин днища БУ на производительность и энергоемкость............................. 137
4.5.7 Результаты экспериментов по определению времени сводообразования............................................... 140
4.5.8 Определение зависимости массового расхода СМ от времени образования статически устойчивого свода....................... 145
4.6 Выводы......................................................... 148
5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫПУСКА СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА ИЗ БУНКЕРНЫХ УСТРОЙСТВ И ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СВОДООБРУШИТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ................................................. 149
5.1 Энергетическая оценка технологии выпуска сыпучего материала из бункерного устройства в емкости мобильных транспортных средств
с учетом последствий сводообразования........................... 149
5.2 Методика оценки технического уровня переносных механических
4
сводообрушитслей с первичным и вторичным сводообрушающими элементами...................................................... 152
5.3 Технико-экономическое сопоставление пневматических и электромагнитных сводообрушитслей в бункерных устройствах.... 161
5.4 Оценка влияния пределов изменения конструктивно-режимных параметров бункерного устройства с механическим сводообрушителсм на его пропускную способность методом многофакторного эксперимента....................................... 165
5.5 Усовершенствование и систематизация методов расчета технико-экономических показателей сводообрушающих, питающих и других механизмов перемещения сыпучих материалов в бункерных устройствах.........................................................170
5.6 Выводы......................................................... 172
6 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СПОСОБОВ И МЕХАНИЗМОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ СВОДООБРАЗОВАНИЙ В
БУНКЕРНЫХ УСТРОЙСТВАХ
182
6.1 Магнитожидкостные механизмы предупреждения и устранения сводообразований в бункерных устройствах.....................
6.1.1 Общие сведения о магнитных жидкостях...............
6.1.2 Перспективные конструктивно-технологические схемы
182
182
магнитожидкостных механизмов предупреждения и устранения сводообразований в бункерных устройствах 189
6.1.3 Классификационная схема магнитожидкостных механизмов предупреждения и устранения сводообразований в бункерных
199
199
6.2.1 Общие сведения об эффекте вибрационного перемещения и реализующих этот эффект вибродвигателях различного конструктивного исполнения.................................. 200
6.2.2 Обзор типовых и разработка перспективных способов и механизмов реализации вибрационного движения в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов....................... 208
6.3 Перспективные конструкции механических сводообрушающих устройств в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов.... 214
6.3.1 Ручные механические разрушители сводообразований
сыпучих материалов в бункерных устройствах............. 221
6.3.2 Переносные механические сводообрушители сыпучих материалов в бункерных устройствах.......................... 224
6.4 Устранение сводообразований сыпучего материала перемещением части его объема в дополнительную раздаточную емкость
бункера..................................................... 234
6.5 Устранение сводообразований сыпучего материала перепрофилированием специально организованных участков
бункера с минимальной площадью проходного сечения........... 238
6.6 Перспективные конструкции пневматических сводообрушающих устройств....................................................... 244
6.7 Новые конструкции аэрирующих устройств устранения сводообразований сыпучих материалов в бункерах.................. 249
6.8 Выводы...................................................... 253
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................ 255
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................... 257
б
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
БУ - бункерное устройство
ВВФ - внешние воздействующие факторы
ВМВУ - вращающиеся механические выпускные устройства
ВЭ - вибрационный экипаж
КТУ - коэффициент технического уровня
ЛЭМД - линейный электромагнитный двигатель
МВУ - механические выпускные устройства
МВУТО - механические выпускные устройства с тяговыми органами МЖ - магнитная жидкость
МЖМПРС - магнитожидкостный механизм предотвращения и разрушения сводообразований МПУС - механизм предупреждения и устранения сводообразований МР - металлорезина или металлический аналог резины МТС - мобильное транспортировочное средство ПАВ - поверхностно-активные вещества
ПМРСВД - переносные механизмы разрушения сводообразований сыпучих материалов вращательного действия СМ - сыпучий материал СО - сводообразованис ТСМ - трудносыпучий материал УС - уплотнительное соединение
7
ВВЕДЕНИЕ
Для выполнения погрузочно-разгрузочных работ с сыпучими грузами, их хранения и выпуска в транспортировочные емкости мобильных транспортных средств на территории Российской Федерации созданы и длительно эксплуатируются транспортно-складские комплексы самого различного назначения.
Необходимость складирования грузов обуславливается неравномерностью циклов производства и транспортрования, поэтому склады играют важную роль, обеспечивая четкий ритм и организацию работа всего транспортно-складского комплекса России и ее регионов.
Следует отметить, что ежегодная переработка грузов в виде сыпучих материалов (СМ), временно хранящихся в бункерных устройствах различного назначения на промышленных предприятиях, в строительстве, в агропромышленном комплексе, в порошковой металлургии и в других отечественных отраслях, исчисляется 70... 100 миллиардами тонн. Превалирующей причиной нарушения бесперебойного выпуска СМ из бункерных устройств в транспортировочные емкости мобильных транспортных средств является возникновение в бункерах сводов СМ, для устранения которых используется широкий спектр различных по физической природе сводообрушающих механизмов (механические, вибрационного действия, аэрирующие устройства и др.).
Из анализа текущего состояния и направлений совершенствования способов и механизмов предотвращения и устранения сводообразований СМ следует, что до настоящего времени:
- недостаточно полно с энергетической точки зрения исследованы и систематизированы закономерности динамики образования и разрушения сводов СМ в бункерах, что негативно сказывается на точности динамических расчетов и, соответственно, качестве проектирования сводообрушающих механизмов под заданные эксплуатационные требования;
- не разработана математическая модель динамического комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», позволяющая проведение количественной оценки влияния пределов изменения эксплуатационных параметров бункера и физико-механических свойств СМ на процесс и параметры сводообразования в бункере для рационального назначения величины силы рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации потребных энергозатрат на устранение сводов СМ;
- отсутствуют иерархически выстроенные классификационные схемы способов предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерах и разнообразных по конструктивному исполнению сводообрушающих
механизмов различной физической природы, сориентированных на повышение динамического качества сводообрушающих механизмов,
снижение энергозатрат на их эксплуатацию и повышение функциональной надежности таких механизмов в реальном спектре механических и климатических нафузок, воздействующих на бункерные устройства с СМ в эксплуатации.
Актуальность темы обусловлена ее нацеленностью на устранение вышеохарактеризованных недостатков в расчете динамики и оценке качества проектирования сводообрушающих механизмов бункерных устройств, а также ее выполнением в рамках разделов «Энергосбережение», «Разработки по повышению эффективности терминально-складской деятельности» и «Транспортная техника и технологии с использованием новых технических решений» профаммы «Основные направления научных исследований СамГУПС на 2009-2013 гг.» и в соответствие с координационным планом федеральной «Профаммы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах (Постановление Правительства Российской Федерации № 262 пру от 04.07.1998 г.).
Работа выполнена в проблемной НИЛ СамГУПС «Динамическая прочность и виброзащита транспортных систем» в рамках договоров № 1-06 на 2006-2010 гг. и № 20-10 на 2011-2015 гг. «О научно-техническом и
педагогическом сотрудничестве федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК») и федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО СамГУПС)».
Ниже представлены краткая характеристика диссертационной работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
Объект исследования - механизмы предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерах их хранения и выпуска, которые рассматриваются в составе комплекса «Бункер сыпучего материала -сводообрушающий механизм», обладающего определенными динамическими свойствами.
Предмет исследования - процессы формирования и трансформирования механизмами предупреждения и устранения сводообразований СМ дополнительных компенсационных воздействий, которые определяют динамические свойства бункерных устройств и позволяют стабилизировать их выходные параметры при интенсификации неблагоприятных внешних воздействий на СМ, изменяющих его физикомеханические свойства в процессе хранения и выпуска и приводящих к возникновению сводообразований СМ.
Методы исследования. Все исследования осуществлялись на основе принципов системного подхода. В теоретических исследованиях использовались методы параметрического и математического моделирования технических систем, численные методы решения задач и методы инженерной реологии. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с анализом и обработкой полученных математико-статистическими методами данных на современной измерительной аппаратуре и вычислительной технике.
ю
Научная новизна:
1. На базе выявленных приоритетных направлений повышения динамического качества и функциональной надежности механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерных устройствах предложена четырехпараметрическая модель СМ, учитывающая влияние силы схватывания отдельных частиц и слоев материала на процесс и параметры сводообразования в бункере с фиксированной массой СМ, при назначении энерговооруженности сводообрушающего механизма.
2. Разработана математическая модель динамического комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», повышающая достоверность исследования физических процессов сводообразования СМ и точность расчета динамических параметров комплекса путем учета влияния параметров сводообразования СМ фиксированной массы на энерговооруженность сводообрушающего механизма.
3. Разработаны научно и методически обоснованные рекомендации и расчётные соотношения по количественной оценке влияния пределов изменения эксплуатационных параметров бункера и свойств СМ на процесс и параметры сводообразования для назначения величины силы рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации энергозатрат на устранение сводов СМ.
4. В ходе натурного и вычислительного экспериментов по исследованию динамического качества комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм» получены новые результаты, учитывающие особенности процесса формирования и параметры сводов СМ в бункере, обуславливающие потребные энергозатраты на их устранение. В частности, получены расчетные соотношения для оценки геометрических и динамических параметров сводообразования и определено время сводообразования конкретных типов СМ и бункерного устройства под прогнозируемый режим работы сводообрушителя.
11
5. Предложены показатели оценки конструкторско-технологических и технико-эксплуатационных возможностей сводообрушающих механизмов с энергетической и эргономической точек зрения, составляющие основу разработанных:
- энергетической модели выпуска СМ из бункера при периодическом заборе из него фиксированных по массе порций СМ с математическим обоснованием условий бесперебойного истечения и условий возникновения сводов СМ;
- методики расчёта энергоёмкости выпуска СМ из бункера в ёмкости мобильных транспортных средств с учётом остановок на технологические перерывы для устранения возникших сводообразований;
- методики оценки пропускной способности бункера в условиях многофакторного эксперимента на примере расчёта реального бункера с механическим сводообрушитслем;
- методики оценки технического уровня разнотипных конструкций переносных механических сводообрушителей для рационального выбора конкретной конструкции под реальный бункер с заданными вместимостью и параметрами СМ на примере рычажно - «ёлочного» сводообрушителя.
6. Разработаны сводная и детализированные классификационные схемы различных по физической природе способов и механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ, построенные на базе иерархического подхода с учетом оригинальных авторских технических решений.
На защиту' выносятся:
1. Созданная на базе предложенной четырехпараметрической модели СМ математическая модель динамического комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», функционально связывающая энерговооруженность сводообрушителя с силой схватывания отдельных частиц и слоёв в сводообразований СМ фиксированной массы.
12
2. Научно и методически обоснованные рекомендации и расчетные соотношения по количественной оценке влияния пределов изменения эксплуатационных параметров бункера и свойств СМ на процесс и параметры сводообразования для назначения величины силы рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации энергозатрат на устранение сводов СМ.
3. Результаты натурного и вычислительного экспериментов по исследованию динамического качества комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм» с учетом особенностей процесса формирования сводов СМ в бункере, обуславливающих потребные энергозатраты на их устранение.
4. Систематизированные и дополненные показатели оценки конструкторско-технологических и технико-эксплуатационных
возможностей сводообрушающих устройств с энергетической и эргономической точек зрения.
5. Сводная и детализированные классификационные схемы различных по физической природе способов и механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерах, построенные на принципах иерархического подхода.
6. Разработанные технические способы и конструктивные решения высокоэффективных, патентозащищённых сводообрушающих механизмов различной физической природы для устранения сводообразований СМ в бункерах хранения и выпуска СМ.
Достоверность результатов обеспечивается: корректностью
постановки задач исследования; сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных автором и другими исследователями; обоснованностью используемых теоретических построений, допущений и ограничений; применением апробированных аналитических и численных методов расчета и современной измерительной аппаратуры, вычислительной техники и программного обеспечения.
13
Научную значимость работы составляют результаты теоретических и экспериментальных исследований и разработанные на их основе практические рекомендации по повышению динамического качества и функциональной надежности механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ фиксированной массы в бункерных устройствах, предопределяющие рациональный выбор величины силы рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации энергозатрат на устранение сводов СМ с конкретными геометрическими и динамическими параметрами.
Практическую значимость работы составляют: результаты
систематизации сводообрушителей различной физической природы, включая авторские конструктивные решения, защищенные патентами России, методики расчета энерговооруженности и технического уровня механизмов подобного рода и их составных звеньев, снижающие стоимость и сроки проектирования конструкций сводообрушающих механизмов с улучшенными выходными характеристиками.
Результаты исследований использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по улучшению эксплуатационных характеристик и повышению функциональной надежности механизмов предотвращения и устранения сводообразований в бункерах хранения и выпуска СМ:
1. Теоретико-экспериментальные результаты работы используются в учебном процессе СамГУПС на кафедрах «Управление эксплуатационной, грузовой и коммерческой работой», «Железнодорожные станции и узлы».
2. Ряд представленных в работе запатентованных сводообрушающих комплексов и механизмов используется на Куйбышевской железной дороге -филиале ОАО «РЖД», в ОАО «Волжско-Уральская транспортная компания», ООО «Агролюкс» ОП «Самарский комбикормовый завод».
3. Основные материалы диссертации легли в основу личной и двух изданных при участии автора монографий для научных и инженерно-
14
технических работников, предприятий транспортно-складского комплекса России, а также преподавателей, аспирантов и студентов технических специальностей.
Апробация результатов работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на межвузовской научно-практической конференции «Опыт взаимодействия ВУЗов и железных дорог в научно-техническом прогрессе и подготовке специалистов», г. Самара, СамИИТ, 1998 г.; научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов факультета механизации сельского хозяйства Самарской ГСХА, г. Кинель, 1999 г.; научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы, г. Саратов, СГАУим. Н.И. Вавилова, 1999 г.; 2-ой международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», г. Ростов-на-Дону, РГУПС, 2000 г.; 3-ей международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем», г. Самара, МАНЭБ, 2002 г.; региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте», г. Челябинск, ЮУЖД, 2004 г.; IV международной научной студенческой конференции «Trans -Mech - Art - Chem», г. Москва, МИИТ, 2006 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2006», г. Ростов-на-Дону, РГУПС, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Наука,
инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», г. Екатеринбург, УрГУПС, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», г. Самара, СамГУПС, ОрелГТУ, 2007 г.; IV международной научно-
практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, СамГУПС, 2008 г.; Всероссийской
научно-практической конференции, посвященной памяти проф. Л.И. Кошкина «Перспективные инновации в науке и образовании», г. Самара, СамГПУ, 2008 г.; международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», г. Тула, ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2008 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, СамГУПС, 2009г.; международной научно-практической конференции «Наука и образование - транспорту», г. Самара, СамГУПС, 2009 г.; VI Всероссийской дистанционной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, СамГУПС, 2010 г.; II Международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту», г. Самара, СамГУПС, 2010г.; региональной научно-практической конференции «Образование, наука, транспорт в XXI веке: опыт, перспективы, инновации», г. Оренбург, ОрИПС, 2010г.; III Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 130-летию транспортного образования в Пензенской области «Наука и образование транспорту», г. Пенза, ПТЖТ- филиал СамГУПС, 2010 г.;
международной научно-практической конференции, посвящённой 80-летию со дня рождения профессора Кобы В .Г., г. Саратов, СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 научных работ, из них 3 монографии (2 в соавторстве), 39 статей в научных журналах и сборниках, 24 статьи в трудах конференций, 8 патентов России на изобретения, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы из 247 наименований. Основной текст изложен на 285 страницах и содержит 93 рисунка, 13 таблиц.
16
1 ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ СПОСОБОВ И МЕХАНИЗМОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ СВОДООБРАЗОВАНИЙ В БУНКЕРАХ ХРАНЕНИЯ И ВЫПУСКА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
1.1 Обзор существующих способов и механизмов для предупреждения и устранения сводов сыпучих материалов в бункерах и
их классификация
Основной акцент в обзоре сделан на критический анализ динамического качества и функциональной надежности вышеуказанных устройств в условиях варьирования внешних воздействующих факторов.
Отмечен значительный творческий вклад ведущих ученых в области исследования динамики истечения сыпучих сред из емкостей, борьбы со сводообразованием и разработки сводообрушающего оборудования К. В. Алферова, А. И. Белоусова, И.И. Блехмана, В. А. Богомягких, В. С. Горюшинского, И. В. Горюшинского, Л. В. Гячева, Э. В. Дженике, Д. Н. Ешуткина, В. И. Желткова, Р. Л. Зенкова, Р. Квапила, Б. Г. Кеглина, В. С. Кулакова, О. Г. Локтионовой, О. П. Мулюкина, В.Ф. Семёнова, В. В. Соколовского, Г. М. Третьякова, Л. С. Ушакова, С. Ф. Яцуна и др.
Однако, к сожалению, до настоящего времени физическая сущность явления сводообразования изучена не полностью. Это затрудняет оценку степени влияния различных факторов на данный процесс при выборе энерговооруженности сводообрушающего механизма, так как частота возникновения статического свода зависит не только от параметров емкости и выпускного отверстия, физико-механических свойств грузов, но и от эксплуатационных режимов загрузки и хранения сыпучих материалов.
Известные сбои в работе бункеров первого поколения обнаруживаются и в установках, спроектированных и сооруженных в настоящее время, так как надежных и достаточно экономичных универсальных разгрузочных
17
устройств, способных обеспечить равномерное истечение сыпучих материалов и полное опорожнение бункера, пока еще не создано [247].
В связи с этим отметим, что значительная часть сыпучих материалов относится к связным, плохосыпучим, которые обладают физикомеханическими свойствами, способствующими процессу сводообразования. Это обуславливает при переходе к комплексной механизации погрузочно-выгрузочных работ введение в действие современных конструкций бункеров со сводообрушителями, отвечающих современным требованиям по минимизации энергозатрат и времени на устранение сбоев в процессе выпуска СМ [14,35, 228].
Уплотнение СМ в бункерах в силу атмосферных воздействий, динамических нагрузок и пр. вызывает резкое изменение их свойств, при этом наибольшее изменение претерпевает величина начального сопротивления сдвигу, возрастающая с увеличением срока хранения материала в емкости. Способность СМ под действием собственного веса переходить в монолитную массу, теряя сыпучесть, называется слеживаемостыо, причем в [152] отмечается, что до настоящего времени не известен характер изменения во времени физико-механических свойств СМ при хранении и транспортировке в емкости в зависимости от характера изменения ВВФ, - рисунок 1.1.
1.1.1 Средства выгрузки сыпучих материалов из бункеров
Значительное внимание в разработке мероприятий по устранению сводообразований для бесперебойного выпуска СМ из бункеров уделяется используемым для этой цели средствам выгрузки (рисунок 1.2).
1.1.2 Конструкторско-технологические способы предупреждения
сводообразований в бункерах
Конструкторско-технологические способы предупреждения
18
Возникновение сводообраэования (обусловленное нахождением СМ а данной зоне бункера в напряженном состоянии)
1
По »«пряженному состоянию сыпучего материала (по устойчивости свода*)
По высоте и конфигурации свода в зависимости от профиля выпускного отверстия бункера
Своды
С отверстиями. минимальной
выполненными в углу высоты и
днища бункера малой
прочности
Рисунок 1.1- Процесс и параметры сводообразования СМ в бункере
сводообразований СМ в бункерах [123] проклассифицированы следующим образом на рисунке 1.3.
В основном данные способы базируются на применении гравитационных выпускных устройств, конструктивное исполнение которых представлено на рисунке 1.4. [11, 14, 103, 129, 141, 152, 237, 242, 244, 246 и др.].
* Условия устойчивости свода требуют, чтобы напряжения сжатия в площадках, нормальных к его свободной поверхности, достигали наибольшего значения. С учетом, что в площадках, касательных к этой поверхности, напряжения равны нулю, очертание свода совпадает с линиями главных напряжений.
19
Рисунок 1.2 - Классификация средств выпуска СМ из бункеров по способу
разрушения сводов
Рисунок 1.3 - Классификационная схема конструкторско-технологических способов предупреждения сводообразования в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов
Как правило, гравитационные стабилизаторы истечения не способны обеспечить стабильное истечение плохосыпучих материалов из ёмкостей при значительном варьировании их физико-механических свойств, в связи с этим
Гравитационные выпускные устройства
По конструктивному исполнению
Прерыватели давления в виде горизонтальной пластины, помещенной в центре выпускной воронки бункера, разделяющей емкость по горизонтали на две зоны и служащей опорой для СМ, лежащего над ней
[152: рисунок 6], (195: с. 76-80], [123: рисунок 51]
Прерыватель давления в виде двух пирамид или конусов, соединенных основаниями , для
устранения застойных зон
[152: рисунок 8], [195: с. 80-83]
Выпускные устройства с разгрузочным выступом
[129: рисунок 9]
Вертикальные перегородки, делящие полость емкости и снижающие давление сжатия
[152: рисунок 7]. [195: с. 76-80]
Каскадные или спиральные спуски, способствующие уменьшению скорости заполнения емкости
[246: с. 23]
Аккумулирующие емкости для «гидравлического» истечения из бункеров СМ
[152: рисунок 9]
Устройства футеровки внутренних поверхностей бункера материалами, слабо адгезирующими с СМ
[152: с. 35-36], [195: с. 80-83]
Устройства профилирования выпускных отверстий и угла наклона стенок бункера (бункеры открытого типа, пирамидальный бункер квадратного сечения с постоянным углом наклона стенок к горизонту и др.)
[152: с. 36-38]
Рисунок 1.4 - Классификация гравитационных выпускных устройств
на практике это возможно осуществить только при помощи специальных побуждающих устройств.
1.1.3 Механические сводообрушающие устройства
Устранение сводов в бункере возможно осуществить, применяя, в зависимости от физико-механических свойств СМ и параметров емкости, различные по конструктивному исполнению механические сводообрушающие устройства.
21
Простейшим способом разрушения возникших статических сводов является устранение их вручную через специальные шуровочные отверстия в нижней части бункера (рисунок 1.5, а).
чш
я*
Млілі/
Рисунок 1 5 - Конструктивные схемы бункеров с механическими сводообрушителями
При незначительной высоте засыпки СМ в полость бункера достаточно эффективным способом устранения сводов будет применение подвешенных свободно на тросах или цепях грузов, которые приводятся в возвратно-поступательное движение электрической или ручной лебедкой [105, 121].
Для устранения сводообразования применяют также механическую шуровку бесконечными цепями, движущимися при помощи привода или груза, подвешенного на цепи (рисунок 1.5, б, в, г). Следует отметить, что при
22
значительной величине сводообразования этот метод недостаточно эффективен [79].
Известна конструктивная схема бункера с подвешенной в его полости штангой с ворошителями, выполняющими возвратно-поступательное движение (рисунок 1.5, д). Данный способ сводообрушения является вполне эффективным, хотя и требует достаточно значительного расхода электроэнергии [152].
В комбикормовой промышленности применяют бункер с комбинированным сводообрушителем, который включает в себя центральную трубчатую штангу со шнеком на конце и боковой шуровочный стержень. В случае, если не удается обрушить свод при помощи шуровки, его высверливают шнеком (рисунок 1.5, е) [152].
Широкое применение в различных отраслях народного хозяйства нашли различные мешалки-ворошители в виде горизонтального (рисунок
1.5, ж) или вертикального (рисунок 1.5, з) вала с лопастями, расположенного внутри бункера [103, 120].
Одной из лучших конструктивных схем механических ворошителей является разработка Проектстальконструкции (рисунок 1.5, и) [152].
Общим недостатком всех указанных типов ворошителей является то, что, находясь постоянно в зоне выпускного отверстия, они создают условия для возникновения сводообразования.
В Чехословакии получен патент на шнековый рыхлитель (рисунок
1.5, к), который используется для устранения зависания влажных СМ [166].
Конструкция шнекового ворошителя, рабочими органами которого являются горизонтальный и наклонный шнеки, разработана в США (рисунок
1.5, л). Один конец наклонного шнека соединен через карданный вал с редуктором, размещенным в нижней части бункера, а второй конец через ролик свободно опирается на стенку емкости и перекатывается по ней. Горизонтальный шнек через ролик также опирается на дно бункера около его стенки [173].
23
Определенный интерес представляет схема сводообрушителя, разработанного в ФРГ, и представляющая собой вертикальный вал с шарнирно закрепленными лопастями, которые имеют возможность раскрываться и складываться при выполнении возвратно-поступательного движения вала (рисунок 1.5, м).
Похожее устройство, сочетающее в себе шарнирно закрепленные лопасти с электрическим приводом и конический рассекатель (рисунок
1.5, //), было разработано в бывшем СССР [8].
Для устранения сводообразований СМ в выпускной воронке бункера устанавливают спиральный рабочий орган (рисунок 1.5, о), который, вращаясь, способствует выгрузке материала [7]. Тот же автор разработал и запатентовал сводообрушитель (рисунок 1.5, п\ действующий на принципе реверсивного движения валиков, расположенных по всему сечению бункера пі. Недостатком данного технического решения является повышенная частота сводообразования в зоне расположения решетки с валиками.
Для борьбы с зависанием СМ на стенках бункера американской фирмой «Стефан Адамсон» запатентовано устройство (рисунок 1.5, р), состоящее из вращающегося конуса с радиальными скребками, расположенными в его нижней части. [105,192].
Известна конструктивная схема сводообрушающего устройства (рисунок 1.5, с), состоящего из вращающихся дисков с расположенными на них рабочими органами [6].
Английской фирмой «А. О. Смит Корпорэйшн» разработан разгрузчик трудносыпучих материалов (рисунок 1.5, т), который представляет собой радиально расположенный на дне емкости цилиндрической формы скребковый конвейер с цепями, движущийся вокруг вертикальной оси [77, 78,152].
Вращающаяся решетка, закрепленная на вертикальном валу, также устраняет возникшие сводообразования (рисунок 1.5,у) [121].
24
Достаточно широко применяется конструкция бункера-разгрузчика, разработанная в Тамбовском филиале ВИЭСХа (рисунок 1.5, ф) [4, 40, 151]. Днище бункера представляет собой шарнирно соединенные между собой пластины, нижние края которых при помощи двуплечего рычага и тяг прикреплены к механическому регулятору ширины щели. Совершая возратно-поступательное движение, пластины изменяют угол своего наклона и, следовательно, объем выпускных воронок, что приводит к разуплотнению СМ, побуждая его к активному истечению.
Однако анализ технологического процесса работы данного устройства позволил выявить следующие недостатки [35]. Область применения бункера ограничена тем, что он способен работать только с хорошосыпучими грузами, так как при хранении и выпуске упруго-пластичных материалов возможно образование статических сводов, опирающихся на стенки бункера, на шарниры между пластинами соседних козырьков и на шарнирные соединения крайних пластин со стенками бункера.
При движении пластин своды разрушаются частично и только в пространстве между ними. Истечение материала носит прерывистый характер, вследствие чего возможно его уплотнение, а возникшие в процессе хранения комки слежавшегося груза пластинами не разрушаются, становясь очагами сводообразования.
Определенный интерес представляет конструктивная схема рычажного сводообрушителя, установленного на цепи скребкового бункерного питателя (рисунок 1.5, х). Изменяя траекторию движения на кривых участках, рабочий орган имеет возможность воздействия на СМ по всему сечению полости бункера [91].
Конструктивная схема, представленная на рисунке 1.5, ц, состоит из двухъярусной решетки, установленной горизонтально в полости бункера и соединенной с приводом [143, 168]. На нижнем ярусе решетки установлены рабочие органы в виде пальцев, количество которых соответствует числу щелей, а длина - ее глубине.
25
В данной конструкции авторам удалось устранить сводообразованис в полости бункера и разрушить посредством пальцев решетки комки спекшегося материала, размер которых больше ширины щелей.
Однако, в связи с тем, что решетка находится в полости бункера, при работе с упруго-пластичными материалами происходит уплотнение последних у торцевых стенок, что значительно увеличивает тяговые усилия, а, следовательно, возникают дополнительные нагрузки на привод и решетку, обуславливая тем самым их частные поломки. Кроме того, значительно увеличиваются расходы на электроэнергию, и в случае поломки сводообрушителя невозможно устранить неисправности без полного опорожнения бункера.
Проанализировав технологический процесс работы представленной выше схемы, тот же коллектив авторов разработал бункерное устройство с механическим сводообрушителем, предназначенное для хранения и выпуска трудносыпучих материалов (рисунок 1.5, ч) [39,40,41,42,43, 169,211, 212]..
Существенным отличием от предыдущей схемы является то, что решетка с плоскими двурогими пальцами размещена вне бункера под днищем, с возможностью дополнительного вертикального перемещения, значительно снижая тем самым пусковой момент на приводе и позволяя устранить своды по всей полости бункера. В торцевых стенках бункера напротив щелей в днище выполнены вырезы по числу щелей, которые снабжены вертикальными шторками, синхронно связанными с приводом вертикального перемещения решетки, что позволяет в случае их поломки произвести ремонт без опорожнения бункера. Кроме того, удалось решить проблему энергосбережения за счет селективного включения
сводообрушителя, оптимально сочетая гравитационное истечение с
принудительным выпуском.
К недостаткам данного технического решения можно отнести
сложность конструкции из-за наличия трех независимых приводов:
раздвижения пластин, вертикального и горизонтального перемещения
26