Рисунок 1. — Схема прибора для определения угла естественного откоса сыпучих грузов
Целью работы является изучение процесса разгрузки-загрузки сыпучих материалов для разработки конструкции устройства с повышенной стабильностью. Задача: разработать конструкцию, обеспечивающую производительностью больше, чем при гравитационной разгрузке.
Задачи повышения экономической эффективности различных производства требуют использования оптимальных процессов на каждой стадии технологической цепочки. В коксохимическом производстве экономическая мощность завода определяется, главным образом, количеством и объемом печей, но качество продукта формируется на всех стадиях получения изделия. Поэтому очень важно правильно подобрать необходимое оборудование для конкретного процесса. Повышение стабильности, следовательно, и надежности работы, приведет к уменьшению амортизационных отчислений и простоев оборудования.
На многие заводы, работающие с сыпучими материалами, сырье поступает по путям сообщения. Для промышленности больших масштабов это, как правило, — железнодорожные перевозки. Соответственно предприятию необходимо оборудование для выгрузки материала из вагонов.
Помимо рассмотренного случая, процессы разгрузки имеют место непосредственно в ходе технологического цикла завода. Например, выгрузка из бункеров и силосов через различные выпускные устройства: дозаторы, питатели. Также процесс разгрузки может происходить на конвейере.
Для правильного проектирования или выбора оборудования необходимо знать свойства рабочего дискретного материала и особенности процесса.
Отсутствие единой модели сыпучей среды свидетельствует о необходимости более тщательного изучения поведения таких материалов. Это необходимо для оптимизации проектируемых конструкций, так как многие современные машины не обладают удовлетворительной стабильностью работы в процессе разгрузки-загрузки.
Наличие таких вредоносных явлений как зависание материала, сводообразование и остановка оборудования свидетельствует о несовершенстве некоторых конструкций, что подталкивает к новым исследованиям в этом направлении.
Научная значимость заключается в проведении исследований влияния соотношения коэффициентов внутреннего и внешнего трения на работу разгрузочно-загрузочных устройств.
Планируется после проведения работы выдача рекомендаций по повышению стабильности работы оборудования разгрузки сыпучих материалов, предложение конструкции для повышения стабильности разгрузки.
В работе Борщева [1] рассмотрено большое количество оборудования для транспортирования, смешивания и обработки сыпучих материалов, общие принципы процессов обработки сыпучих материалов. Приведены расчеты основных характеристик оборудования. Показаны параметры, по которым выбирается оборудование.
Для изучения процесса разгрузки сыпучего материала необходимо знать поведение материала. На данный момент разработано множество моделей сыпучей среды, но все они являются частными и узкоспециализированными. К сожалению, нет общей модели, всецело описывающей процессы с дискретными материалами. Однако разработанные приборы для определения свойств таких сред позволяют создавать модели для конкретных процессов.
Для расчета перерабатывающего оборудования необходимо знание физико-механических характеристик перерабатываемых материалов. Значения характеристик отличаются существенной изменчивостью и зависят от конкретных условий. Недостаточно точные исходные данные приводят к неудачным конструкциям оборудования и неправильному выбору режимных параметров. Поэтому исследования характеристик необходимо проводить в условиях максимально близких к производственным. При проведении исследований не следует опасаться затрат времени и средств, поскольку затраты несопоставимо малы по сравнению с ущербом из-за ошибок проектирования.
В качестве исходных данных наиболее часто используют такие физико-механические характеристики:
— плотность твердой фазы, насыпную плотность, компрессионные параметры материала;
— сдвиговые характеристики (коэффициенты внутреннего и внешнего трения и начальное сопротивление сдвигу);
— структурные характеристики (гранулометрический состав, форма частиц и угол естественного откоса);
— прочностные характеристики.
Особое значение при исследовании имеет оперативность и сопоставимость, т. е. при комплексных одновременных испытаниях достигается качественно новый результат.
Для реализации указанных принципов на кафедре МАХП разработан и запатентован приборный комплекс для оперативного определения физико-механических характеристик дискретных материалов ВВ, который может быть использован и для определения характеристик материалов подлежащих утилизации. Особую ценность представляет оперативная обработка результатов на ЭВМ и составление базы данных характеристик материалов.
Повышение достоверности определения физико-механических характеристик позволяет создавать более надежное оборудование повышенной экологической безопасности [2].
Процесс затаривания, хранения и выгрузки сыпучего груза из емкостей зависит от физико-механических свойств насыпного груза, что в значительной степени определяет конструкцию, форму емкости и выбор материала, из которого ее изготовляют.
Для совершенствования процесса истечения необходимо четко представлять происходящие внутри полости емкости явления.
На гравитационное истечение сыпучего груза из отверстия емкости влияют многие факторы, которые могут быть сгруппированы так: режимные (технологические) паузы в загрузке, выпуске, физико-механические свойства грузов и параметры элементов емкости.
На стабильность истечения грузов, а, следовательно, и процесс сводообразования, оказывают влияние повышенное содержание влаги и уплотнение груза над выпускным отверстием.
Влажность определяется отношением массы испарившейся воды (после просушивания) к исходной массе взятого материала (в весовых процентах). Устойчиво просматривается связь увеличения слеживаемости, уплотнения, смерзаемости, теплостойкости, коррозии ограждающих конструкций и «дыхания» груза от повышения его влажности. С увеличением влажности значительно возрастают адгезия и аутогезия.
Адгезия в переводе с английского языка означает «прилипание, сцепление, притяжение», возникающее при контакте двух разнородных конденсированных тел. Она характеризует связь между двумя телами или силы взаимодействия частиц между поверхностями тел. Взаимодействие частиц с ограждающими конструкциями (стенки бункера, контейнера, тары) принято называть аутогезией.
Адгезионные силы могут быть больше сил аутогезии и наоборот. При разгрузке зернового груза, особенно мелкодисперсного (мука, отруби и т. п.), наблюдается «конкуренция» между адгезией и аутогезией. Если аутогезия преобладает над адгезией, то часть зернового груза остается в кузове, а если адгезия преобладает над аутогезией, то зерновой груз выгружается полностью.
Взаимосвязь между адгезией и аутогезией имеет большое значение на практике. Известно, что объемы сыпучих грузов составляют десятки миллионов тонн. Если в транспортных средствах (вагонах, автомобилях, контейнерах и другой таре) будут удерживаться доли процента груза, то потери составят сотни тысяч тонн.
Гранулометрический состав насыпного груза характеризуется количественным распределением составляющих частиц по крупности. Крупность частицы груза определяют по наибольшим ее линейным размерам.
Гранулометрический состав определяют ситовым анализом, просеивая взвешенную пробу через набор сит с размерами калиброванных отверстий, установленными ГОСТом (последовательно, от больших к меньшим).
Насыпная плотность — это отношение массы насыпного груза к занимаемому им объему с учетом пор и промежутков между отдельными частицами. Насыпная плотность определенного груза неоднородна и зависит от гранулометрического состава и других факторов.
Коэффициент уплотнения насыпного груза — отношение его уплотненной массы к массе того же объема до уплотнения. Условия заполнения насыпного груза определенного объема формирует начальный коэффициент уплотнения, значение которого имеет существенный диапазон. В этой величине доминирующее место занимают динамические нагрузки и вибрация, в результате которых материалы претерпевают структурное переформирование — мелкие частицы укладываются в порах между более крупными. При этом воздух вытесняется из пор, число контактов частиц между собой увеличивается, что сопровождается возникновением молекулярных сил. Насыпной груз уплотняется, его плотность повышается. Установлено, что коэффициент уплотнения Ку увеличивается с ростом коэффициента внутреннего трения fвн по зависимости:
Различные насыпные грузы имеют довольно большой разброс изменений коэффициента уплотнения: от 1,05 до 1,52 (нижний предел характерен хорошо сыпучим грузам). Следует отметить, что процесс уплотнения приводит к возрастанию начального сопротивления сдвигу, а его значение характеризует сыпучесть.
Угол естественного откоса — угол между горизонтальной плоскостью и линией откоса насыпного груза при свободной его отсыпке. При истечении груза на горизонтальную плоскость образуется горка с некоторым углом откоса, который соответствует равновесию частиц.
Угол естественного откоса является наибольшим углом, образованным линией естественного откоса с горизонтальной плоскостью и служит одним из основных показателей подвижности груза. Значение угла естественного откоса отвечает действию сил трения, зависящих от формы, размеров частиц и их влажности. Увеличение последней способствует росту рассматриваемой характеристики. Угол естественного откоса для большинства насыпных грузов не превышает 60° (при естественной влажности). Минимальному углу естественного откоса соответствует наибольшая подвижность частиц рассматриваемого груза.
Угол естественного откоса в покое и в динамике имеет различные значения. Причем угол естественного откоса в движении меньше его значения в покое и составляет φдв = 0,74 φп [3].
В настоящее время решение задач механики сыпучих материалов проводится в трех основных направлениях:
1) анализ напряженного состояния неподвижного слоя сыпучего материала с определением условий начала движения в выпускной части бункера-питателя;
2) исследование кинематики и динамики движущегося слоя с определением характерных зон движения, объемного расхода и средней скорости истечения;
3) учет пульсационного режима истечения при расчете поля напряжений и деформаций сыпучего материала.
На пути совершенствования теории процессов хранения, перемещения и истечения сыпучих материалов в рамках модели сплошной среды имеются две трудности. Первая из них состоит в том, что в «сплошной» деформируемой среде образуются прерывисто сдвигающиеся агрегаты твердых частиц с пониженной плотностью на границах между ними. Вторая трудность, обусловлена неопределенностью напряженного состояния зернистого слоя после загрузки сыпучего материала в емкость. Это состояние во многом зависит от способа загрузки и продолжительности нахождения сыпучего материала, в неподвижном состоянии. В большинстве случаев при усредненных параметрах процесса загрузки материала предельное напряженное состояние во всех точках зернистого слоя не реализуется и при переходе его в движущееся состояние для расчета интегральных характеристик установившегося движения сыпучей среды не может быть использована теория В. В. Соколовского.
В данной работе для описания истечения материала принята линейно-деформируемая модель сыпучей среды, в которой перераспределение напряжений происходит вследствие открывания выпускного отверстия в днище емкости. Истечение материала рассматривается как процесс непрерывного образования и разрушения агрегатных структур с наличием пульсационных характеристик поля напряжений и деформаций, изменение которых происходит в пределах активного и пассивного предельных состояний сыпучего материала.
На основе рассмотренных свойств и классификации сыпучих материалов можно предложить оформление единого документа, отражающего его особенности при хранении, транспортировании и переработке. Этот документ условно назван — «Паспорт на сыпучий материал» и составлен по образцу [РТМ 26-01-129-80].
Во вводной части необходимо представить сведения о наименовании, внешнем виде и агрегатном состоянии вещества. В грифе «Внешний вид, форма частиц, комкуемость» дается общая классификация материала по крупности; в каком состоянии находится материал — в виде отдельных частиц или агрегатов, образованных в результате слеживания, кристаллизации, оплавления и т. д.; описать форму частиц. Перечисленные сведения заносятся в паспорт на основании визуальной экспертной оценки.
Лабораторные методы позволяют с относительно большой точностью определить влажность (абсолютную и относительную), гигроскопичность, плотность (насыпную и удельную). Разброс частых значений этих характеристик сравнительно невелик и при серии параллельных испытаний от 5 до 10 стандартная ошибка среднего не превышает 5%.
Во втором разделе паспорта приводятся деформационные и комплексные характеристики сыпучего материала, представляемые в виде таблицы в зависимости от нормального к площадке сдвига сжимающего напряжения, фиксируемого на сдвиговом приборе.
Кроме перечисленных физико-механических характеристик в паспорте, в случае необходимости, должны быть представлены показатели термолабильных свойств материала, его токсичности, коррозионности, способности накапливать статическое электричество. В случае технологического процесса, допускающего хранение сыпучего материала, необходимо определить показатели его слеживаемости.
Многими исследователями установлено, что в зависимости от свойств сыпучего материала, а также формы и размеров емкости возникают различные виды движения. Согласно терминологии, принятой в литературе, первой формой истечения [истечение с трубообразованием (funnel flow)] называется образование над выпускным отверстием узкой зоны движения, вокруг которой сыпучий материал неподвижен. Второй формой истечения (mass flow) называют процесс, когда сыпучий материал образует область малоподвижного или полностью неподвижного материала только в нижней зоне аппарата. Между указанными предельными состояниями возникают промежуточные, которые могут существовать длительное время. Вследствие этого многочисленные экспериментальные данные по исследованию движущегося слоя сыпучего материала, достаточно разноречивы.
Возникновение той или иной формы движения материала непосредственно связано с напряженным состоянием в емкости перед выпуском сыпучей среды. Первая форма движения возникает в начальный период выпуска из плотного зернистого слоя, а возникновению второй способствует разрыхление слоя, например из-за длительного выпуска сыпучего материала в условиях его рециркуляции.
Существующие методы прогнозирования напряжений, возникающих в неподвижном материале, основываются либо на методе радиального поля напряжений, либо на модификациях метода Янсена. И тот и другой являются приближенными и служат прогнозами верхнего и нижнего предельных значений напряжений. Это обстоятельство всегда понималось учеными, разрабатывавшими теоретическую сторону вопроса, но не всегда принимается во внимание теми, кто применяет результаты таких разработок. Для того чтобы подчеркнуть это, некоторые авторы представляют свои результаты в виде систем неравенств.
Метод бесконечно малых слоев (плоских сечений) базируется на кулоновском подходе о постулировании формы поверхности скольжения и впервые предложен Янсеном. Исходное исследование Янсена содержит два важных предположения: первое состоит в том, что осевые напряжения не зависят от радиальной координаты и являются функциями только вертикальной координаты z; в соответствии со второй гипотезой отношение осевых напряжений для любой точки сыпучей среды является постоянной величиной, называемой коэффициентом бокового давления.
Кененом в соответствии с теорией Ренкина было предложено рассчитывать коэффициент бокового давления ξ через угол внутреннего трения сыпучего материала, т. е.
где 
a, p — коэффициенты бокового давления для активного и пассивного напряженного состояния, соответственно; Ф — угол внутреннего трения сыпучего материала (f= tgФ).
При z/D > 5 значения компонент напряжения в нижней части глубоких сосудов не зависят от вертикальной координаты. Это положение теории Янсена было подтверждено практическими результатами. Однако предположение Янсена о постоянстве коэффициента бокового давления в слое приводит к значительному превышению расчетных значений над опытными для пассивного состояния слоя.
Все методы, основанные на гипотезе Янсена, предсказывают, что радиальные напряжения на стенке экспоненциально приближается к асимптотическому значению (pgD/(4fw)), которое подтверждается многочисленными экспериментами. Однако скорость приближения различна для разных методов расчета, часто она необоснованно велика для пассивных решений. Тем не менее, этот подход является основой большинства проектировочных методик, учитывающих необходимые коэффициенты запаса. Полученные решения для активного и пассивного напряженного состояния позволили сделать вывод о том, что в конической части выпускного канала осуществляется именно пассивное напряженное состояние, так как материал подвергается боковому обжатию. Наиболее важным в этом случае является вопрос о коэффициенте бокового давления в слое сыпучего материала и у стенки [4 с.55-59].
Общие условия выбора машины. Вследствие большого разнообразия транспортирующих машин для решения одной и той же задачи можно использовать различные их типы. Выбор машины, наиболее полно удовлетворяющей требованиям и условиям данного конкретного задания, — весьма важный и ответственный этап разработки проекта механизации транспорта на предприятии, который требует от проектанта не только специальных знаний конструктивных и эксплуатационных свойств транспортирующих машин, но и детального знакомства с производственным процессом на механизируемом предприятии и условиями окружающей среды и умения выполнять технико-экономическое сравнение возможных вариантов решения.
Основными критериями выбора транспортирующей машины является удовлетворение комплексу заданных технических требований и технико-экономическая эффективность ее применения. Важнейшими условиями выбора машины являются обеспечение надежности ее работы в заданных условиях и удовлетворение требованиям охраны труда и техники безопасности. Эти условия в ряде случаев заставляют принимать более дорогие решения по экономической оценке. Оптимальной следует считать такую машину (или комплекс машин), которая удовлетворяет всем заданным техническим требованиям производства и техники безопасности, надежна в работе, обеспечивает высокую степень механизации и наиболее благоприятные условия труда, дает высокую экономическую эффективность.
Технические факторы выбора машины. Выбор оптимального типа транспортирующей машины определяют следующие технические факторы.
Характеристика подлежащего транспортированию груза. Подробный анализ физико-механических свойств подлежащего перемещению груза может сразу значительно сузить перечень возможных к применению типов машин. При учете этого фактора необходимо принимать во внимание размеры частиц груза, требования его сохранности (например, некоторые машины вызывают крошение, дробление груза) и надежности работы машины (влажные, липкие грузы многими машинами не транспортируются), обеспечение благоприятных условий труда (герметичность устройств, транспортирующих пылящие грузы) и т. п.
Потребная производительность машины. Каждая машина имеет свои пределы оптимальных скоростей и производительности. При заданной производительности с увеличением скорости соответственно уменьшается количество груза на единице длины конвейера, и машина получается более компактной. Например, ленточный конвейер, допускающий скорость движения груза, в 5-6 раз большую, чем скребковый, и в 10 раз большую, чем винтовой конвейер, имеет значительно большую производительность, чем перечисленные конвейеры при равных габаритных размерах поперечного сечения [5].
В статье [6] приведен пример разработки оборудования для загрузки коксовых печей современных коксохимических заводов в соответствии с особенностями процесса. Для этого был проработан целый ряд конструкций [7-11].
Также разработана параметрическая 3D модель устройства.
Для правильного проектирования разгрузочно-погрузочного оборудования необходимо знать основные свойства материала, описывающие его поведение, учитывать особенности процесса, выделяя наиболее важные аспекты.
Процесс разгрузки сыпучих материалов присущ множеству отраслей, но в каждой из них своя специфика выбора оборудования.
1. Борщев В.Я. Оборудование для переработки сыпучих материалов: учебное пособие / В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев, М.А. Промтов, Тимонин А.С. // М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. — 208 с.
2. Бован Д.В. К ВОПРОСУ УТИЛИЗАЦИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ / Бован Д.В., Веретельник СП., Кутняшенко И.В., Хмарук В.В. // (ДонНТУ, Донецк, Украина) «Экологические проблемы мегаполисов» — Донецк, ДонНТУ-2003. — 310-311сс.
3. Горюшинский И.В. ЕМКОСТИ ДЛЯ СЫПУЧИХ ГРУЗОВ В ТРАНСПОРТНО-ГРУЗОВЫХ СИСТЕМАХ / И.В. Горюшинский, И.И. Кононов, В.В. Денисов, Е.В. Горюшинская, Н.В. Петрушкин // С.:«САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ», 2003. — 232с.
4. Каталымов А.В. Дозирование сыпучих и вязких материалов / А.В. Каталымов, В.А. Любартович // Л.: «Химия», 1990. — 238с.
5. Спиваковский А.О. Транспортирующие машины / А.О. Спиваковский, В.К. Дьячков // М.: «Машиностроение», 1983. — 487с.
6. Анисимов И.В. МОДЕРНИЗАЦИЯ УГЛЕЗАГРУЗОЧНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ЗАГРУЗКИ КОКСОВЫХ ПЕЧЕЙ И ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ / И.В. Анисимов, С.П. Веретельник (ДонНТУ, г. Донецк) // "Экологические проблемы мегаполисов" (ДонНТУ), 2010. — 25-27cc.
7. Веретельник С.П. / АС №1186631 С.П. Веретельник, А.С. Парфенюк, В.Г. Комолов, С.Н. Жажин, Л.В. Свиридова. Бункер углезагрузочного вагона — 1985, бюл 39.
8. Парфенюк А.С. / АС №1421755 А.С. Парфенюк, С.П. Веретельник, В.Г. Комолов, В.С. Карпов, С.Н. Жажин, И.Е. Гемберг. Загрузочное устройство углезагрузочной машины — 1988, бюл 33.
9. Парфенюк А.С. / АС №1669973 А.С. Парфенюк, С.П. Веретельник, В.Г. Комолов, В.С. Карпов, С.Н. Жажин, И.Е. Гемберг. Загрузочное устройство углезагрузочной машины — 1991, бюл 30.
10. Martin A.R. / Patent № US6 416 261 B2. A.R. Martin, Windsor, Lufkin. ROTARY PLATE FEEDER — Jul. 9, 2002.
11. Scott Corbin R. / Patent № US7 472 782 B2. R. Scott Corbin. ROTARY FEEDER — Jan. 6, 2009.