Анісімов Ігор Володимирович

Факультет інженерної механіки та машинобудування

Спеціальність «Машини хімічних виробництв»

Підвищення продуктивності та стабільності розвантаження сипких матеріалів з бункерних пристроїв

ЦІЛІ І ЗАВДАННЯ

Метою роботи є вивчення процесу розвантаження-завантаження сипких матеріалів для розробки конструкції пристрою з підвищеною стабільністю. Завдання: розробити конструкцію, що забезпечує продуктивність більше, ніж при гравітаційному розвантаженні.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Завдання підвищення економічної ефективності різних виробництв вимагають використання оптимальних процесів на кожній стадії технологічного ланцюжка. У коксохімічному виробництві економічна потужність заводу визначається, головним чином, кількістю і об'ємом пічей, але якість продукту формується на всіх стадіях здобуття виробу. Тому дуже важливо правильно підібрати необхідне устаткування для конкретного процесу. Підвищення стабільності, отже, і надійності роботи, призведе до зменшення амортизаційних відрахувань і простоїв устаткування.

На багато заводів, що працюють з сипкими матеріалами, сировина надходить шляхами сполучення. Для промисловості великих масштабів це, зазвичай, — залізничні перевезення. Відповідно підприємству необхідне устаткування для вивантаження матеріалу з вагонів.

Окрім розглянутого випадку, процеси розвантаження мають місце безпосередньо в ході технологічного циклу заводу. Наприклад, вивантаження з бункерів і силосів через різні випускні пристрої: дозатори, живильники. Також процес розвантаження може відбуватися на конвеєрі.

Для правильного проектування або вибору устаткування необхідно знати властивості робочого дискретного матеріалу і особливості процесу.

НАУКОВА ЗНАЧУЩІСТЬ

Відсутність єдиної моделі сипкого середовища свідчить про необхідність ретельнішого вивчення поведінки таких матеріалів. Це необхідно для оптимізації проектованих конструкцій, оскільки багато сучасних машин не володіють задовільною стабільністю роботи в процесі розвантаження-завантаження.

Наявність таких шкідливих явищ як зависання матеріалу, утворення склепіння і зупинка устаткування свідчить про недосконалість деяких конструкцій, що підштовхує до нових досліджень в цьому напрямі.

Наукова значущість полягає в проведенні досліджень впливу співвідношення коефіцієнтів внутрішнього і зовнішнього тертя на роботу розвантажувально-завантажувальних пристроїв.

ПЛАНОВАНІ ПРАКТИЧНІ РЕЗУЛЬТАТИ

Планується після проведення роботи видача рекомендацій по підвищенню стабільності роботи устаткування розвантаження сипких матеріалів, пропозиція конструкції для підвищення стабільності розвантаження.

ОГЛЯД ДОСЛІДЖЕНЬ І РОЗРОБОК ПО ТЕМІ

В роботі Борщева [1] розглянуто велика кількість устаткування для транспортування, змішування і обробки сипких матеріалів, загальні принципи процесів обробки сипких матеріалів. Приведені розрахунки основних характеристик устаткування. Показані параметри по яких вибирається устаткування.

Для вивчення процесу розвантаження сипкого матеріалу необхідно знати поведінку матеріалу. На даний момент розроблена безліч моделей сипкого середовища, але всі вони є приватними і вузькоспеціалізованими. На жаль, немає загальної моделі, що цілком описує процеси з дискретними матеріалами. Проте розроблені прилади для визначення властивостей таких середовищ дозволяють створювати моделі для конкретних процесів.

Для розрахунку переробляючого устаткування необхідне знання фізіко-механічніх характеристик матеріалів, що переробляються. Значення характеристик відрізняються істотною мінливістю і залежать від конкретних умов. Недостатньо точні вихідні дані приводять до невдалих конструкцій устаткування і неправильного вибору режимних параметрів. Тому дослідження характеристик необхідно проводити в умовах максимальний близьких до виробничих. При проведенні досліджень не слід опасатися витрат часу і засобів, оскільки витрати непорівнянно малі в порівнянні із збитком із-за помилок проектування.

Як вихідні дані найчастіше використовують такі фізіко-механічні характеристики:

Особливе значення при дослідженні має оперативність і порівнянність, тобто при комплексних одночасних випробуваннях досягається якісно новий результат.

Для реалізації вказаних принципів на кафедрі МАХП розроблений і запатентований приладовий комплекс для оперативного визначення фізіко-механічніх характеристик дискретних матеріалів ВР, який може бути використаний і для визначення характеристик матеріалів тих, що підлягають утилізації. Особливу цінність представляє оперативна обробка результатів на ЕОМ і складання бази даних характеристик матеріалів.

Підвищення достовірності визначення фізіко-механічніх характеристик дозволяє створювати надійніше устаткування підвищеної екологічної безпеки [2].

ФІЗІКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАСИПНИХ ВАНТАЖІВ

Процес затарювання, зберігання і вивантаження сипкого вантажу з ємкостей залежить від фізіко-механічніх властивостей насипного вантажу, що в значній мірі визначає конструкцію, форму ємкості і вибір матеріалу, з якого її виготовляють.

Для вдосконалення процесу виділення необхідно чітко представляти порожнини ємкості явища, що відбуваються усередині.

На гравітаційне виділення сипкого вантажу з отвору ємкості впливають багато чинників, які можуть бути згруповані так: режимні (технологічні) паузи в завантаженні, випуску, фізіко-механічні властивості вантажів і параметри елементів ємкості.

На стабільність виділення вантажів, а, отже, і процес утворення склепіння, роблять вплив підвищений вміст вологи і ущільнення вантажу над випускним отвором.

Вологість визначається відношенням маси води (після просушування), що випарувалася, до вихідної маси узятого матеріалу (у вагових відсотках). Стійко є видимим зв'язок збільшення тієї, що злежується, ущільнення, змерзаємості, теплостійкості, корозії конструкцій, що захищають, і «дихання» вантажу від підвищення його вологості. Із збільшенням вологості значно зростають адгезія і аутогезія.

Адгезія в перекладі з англійської мови означає «прилипання, зчеплення, тяжіння», що виникає при контакті двох різнорідних тіл, що конденсують. Вона характеризує зв'язок між двома тілами або сили взаємодії часток між поверхнями тіл. Взаємодія часток з конструкціями (стінки бункера, контейнера, тари), що захищають, прийнято називати аутогезієй.

Адгезійні сили можуть бути більше сил аутогезії і навпаки. При розвантаженні зернового вантажу, особливо дрібнодісперсного (мука, висівки і т. п.), спостерігається «конкуренція» між адгезією і аутогезієй. Якщо аутогезія переважає над адгезією, то частина зернового вантажу залишається в кузові, а якщо адгезія переважає над аутогезієй, то зерновий вантаж вивантажується повністю.

Взаємозв'язок між адгезією і аутогезієй має велике значення на практиці. Відомо, що об'єми сипких вантажів складають десятки мільйонів тонн. Якщо в транспортних засобах (вагонах, автомобілях, контейнерах і іншій тарі) стримуватимуться долі відсотка вантажу, то втрати складуть сотні тисяч тонн.

Гранулометричний склад насипного вантажу характеризується кількісним розподілом складових часток по великій. Велику частки вантажу визначають по найбільших її лінійним розмірам.

Гранулометричний склад визначають ситовим аналізом, просіюючи зважену пробу через набір сит з розмірами отворів, що калібруються, встановленими ГОСТом (послідовно, від великих до менших).

Насипна щільність — це відношення маси насипного вантажу до займаного їм об'єму з врахуванням пір і проміжків між окремими частками. Насипна щільність певного вантажу неоднорідна і залежить від гранулометричного складу і інших чинників.

Коефіцієнт ущільнення насипного вантажу — відношення його ущільненої маси до маси того ж об'єму до ущільнення. Умови заповнення насипного вантажу певного об'єму формує початковий коефіцієнт ущільнення, значення якого має істотний діапазон. У цій величині домінуюче місце займають динамічні навантаження і вібрація, в результаті яких матеріали зазнають структурне переформовування — дрібні частки укладаються в порах між більшими. При цьому повітря витісняється з пір, число контактів часток між собою збільшується, що супроводиться виникненням молекулярних сил. Насипний вантаж ущільнюється, його щільність підвищується. Встановлено, що коефіцієнт ущільнення К_у збільшується із зростанням коефіцієнта внутрішнього тертя f_вн по залежності:

Різні насипні вантажі мають досить великий розкид змін коефіцієнта ущільнення: від 1,05 до 1,52 (нижня межа характерна добре сипким вантажам). Слід зазначити, що процес ущільнення приводить до зростання початкового опору зрушенню, а його значення характеризує сипучість.

Кут природного укосу — кут між горизонтальною плоскістю і лінією укосу насипного вантажу при вільному його відсипанні. При виділенні вантажу на горизонтальну плоскість утворюється гора з деяким кутом укосу, який відповідає рівновазі часток.

Кут природного укосу є найбільшим кутом, утвореним лінією природного укосу з горизонтальною плоскістю і служить одним з основних показників рухливості вантажу. Значення кута природного укосу відповідає дії сил тертя, залежних від форми, розмірів часток і їх вологості. Збільшення останньою сприяє зростанню даної характеристики. Кут природного укосу для більшості насипних вантажів не перевищує 60° (при природній вологості). Мінімальному куту природного укосу відповідає найбільша рухливість часток даного вантажу.

Малюнок 1. Схема приладу для визначення кута природного укосу сипких вантажів

Кут природного укосу у спокої і в динаміці має різні значення. Причому кут природного укосу в русі менше його значення у спокої і складає φ_дв = 0,74 φ_п [3].

ГРАВІТАЦІЙНЕ ВИДІЛЕННЯ СИПКИХ МАТЕРІАЛІВ

В даний час вирішення завдань механіки сипких матеріалів проводиться в трьох основних напрямах:

1) аналіз напруженого стану нерухомого шару сипкого матеріалу з визначенням умов початку руху у випускній частині бункера-живильника;

2) дослідження кінематики і динаміки рухомого шару з визначенням характерних зон руху, об'ємної витрати і середньої швидкості виділення;

3) облік пульсаційного режиму виділення при розрахунку поля напруги і деформацій сипкого матеріалу.

На дорозі вдосконалення теорії процесів зберігання, переміщення і виділення сипких матеріалів в рамках моделі суцільного середовища є дві труднощі. Перша з них полягає в тому, що в «суцільному» середовищі, що деформується, утворюються агрегати твердих часток, що переривисто зрушуються, із зниженою щільністю на кордонах між ними. Друга трудність, обумовлена невизначеністю напруженого стану зернистого шару після завантаження сипкого матеріалу в ємність. Цей стан багато в чому залежить від способу завантаження і тривалості знаходження сипкого матеріалу, в нерухомому стані. В більшості випадків при усереднених параметрах процесу завантаження матеріалу граничний напружений стан в усіх точках зернистого шару не реалізується і під час переходу його в рухомий стан для розрахунку інтегральних характеристик сталого руху сипкого середовища не може бути використана теорія В. В. Соколовського.

У даній роботі для опису виділення матеріалу прийнята модель сипкого середовища, в якому перерозподіл напруги відбувається унаслідок відкриття випускного отвору в днищі ємкості, що лінійно деформується. Виділення матеріалу розглядається як процес безперервного утврорення та руйнування агрегатних структур з наявністю пульсаційних характеристик поля напруги і деформацій, зміна яких відбувається в межах активного і пасивного граничних станів сипкого матеріалу.

ПАСПОРТИЗАЦІЯ МАТЕРІАЛІВ, ЩО ДОЗУЮТЬСЯ

На основі розглянутих властивостей і класифікації сипких матеріалів можна запропонувати оформлення єдиного документа, що відображає його особливості при зберіганні, транспортуванні і переробці. Цей документ умовно названий — «Паспорт на сипкий матеріал» і складений за зразком [РТМ 26-01-129-80].

У ввідній частині необхідно уявити відомості про найменування, зовнішній вигляд і агрегатний стан речовини. У грифові «Зовнішній вигляд, форма часток, комкуємость» дається загальна класифікація матеріалу за великою; у якому стані знаходиться матеріал — у вигляді окремих часток або агрегатів, утворених в результаті злежування, кристалізації, оплавлення і т. д.; описати форму часток. Перераховані відомості заносяться в паспорт на підставі візуальної експертної оцінки.

Лабораторні методи дозволяють з відносно великою точністю визначити вологість (абсолютну і відносну), гігроскопічність, щільність (насипну і питому). Розкид частих значень цих характеристик порівняно невеликий і при серії паралельних випробувань від 5 до 10 стандартна помилка середнього не перевищує 5%.

У другому розділі паспорта приводяться деформаційні і комплексні характеристики сипкого матеріалу, що представляються у вигляді таблиці залежно від нормального до майданчика зрушення стискуючої напруги, що фіксується на приладі для випробування на зсув.

Окрім перерахованих фізіко-механічніх характеристик в паспорті, у разі потреби, мають бути представлені показники термолабільних властивостей матеріалу, його токсичності, коррозійності, здатності нагромаджувати статичну електрику. В разі технологічного процесу, що допускає зберігання сипкого матеріалу, необхідно визначити показники тієї, що його злежується.

Напружений стан шару сипкого матеріалу Багатьма дослідниками встановлено, що залежно від властивостей сипкого матеріалу, а також форми і розмірів ємкості виникають різні види руху. Згідно термінології, прийнятої в літературі, першою формою виділення [виділення з трубоутвореннєм (funnel flow)] називається освіта над випускним отвором вузької зони руху, довкола якої сипкий матеріал нерухомий. Другою формою виділення (mass flow) називають процес, коли сипкий матеріал утворює область малорухливого або повністю нерухомого матеріалу лише в нижній зоні апарату. Між вказаними граничними станами виникають проміжні, які можуть існувати тривалий час. Внаслідок цього багаточисельні експериментальні дані по дослідженню рухомого шару сипкого матеріалу, досить суперечні.

Виникнення тієї або іншої форми руху матеріалу безпосередньо пов'язане з напруженим поляганням в ємкості перед випуском сипкого середовища. Перша форма руху виникає в початковий період випуску з щільного зернистого шару, а виникненню другої сприяє розпушування шаруючи, наприклад із-за тривалого випуску сипкого матеріалу в умовах його рециркуляції.

Існуючі методи прогнозування напруги, що виникає в нерухомому матеріалі, ґрунтуються або на методі радіального поля напруги, або на модифікаціях методу Янсена. І той і інший є наближеними і служить прогнозами верхнього і нижнього граничних значень напруги. Ця обставина завжди розумілася вченими, що розробляли теоретичну сторону питання, але не завжди береться до уваги тими, хто застосовує результати таких розробок. Для того, щоб підкреслити це, деякі автори представляють свої результати у вигляді систем нерівностей.

Метод нескінченно малих шарів (плоских перетинів) базується на кулонівському підході про те, що постулювало форми поверхні ковзання і вперше запропонований Янсеном. Вихідне дослідження Янсена містить два важливі припущення: перше полягає в тому, що осьова напруга не залежить від радіальної координати і є функціями лише вертикальної координати z; відповідно до другої гіпотези відношення осьової напруги для будь-якої точки сипкого середовища є постійним величиною, званою коефіцієнтом бічного тиску.

Кененом відповідно до теорії Ренкина було запропоновано розраховувати коефіцієнт бічного тиску ξ через кут внутрішнього тертя сипкого матеріалу, тобто

де _a, _р — коефіцієнти бічного тиску для активного і пасивного напруженого стану, відповідно; Ф — кут внутрішнього тертя сипкого матеріалу (f= tgФ).

При z/d > 5 значень компонент напруги в нижній частині глибоких судин не залежать від вертикальної координати. Це положення теорії Янсена було підтверджене практичними результатами. Проте припущення Янсена про постійність коефіцієнта бічного тиску в шарі приводить до значного перевищення розрахункових значень над дослідними для пасивного стану шару.

Всі методи, засновані на гіпотезі Янсена, передбачають, що радіальна напруга на стінці експоненціально наближається до асимптотичного значення (pgd/(4fw)), яке підтверджується багаточисельними експериментами. Проте швидкість наближення різна для різних методів розрахунку, часто вона необґрунтовано велика для пасивних рішень. Проте, цей підхід є основою більшості проектувальних методик, що враховують необхідні коефіцієнти запасу. Отримані рішення для активного і пасивного напруженого стану дозволили зробити вивід про те, що в конічній частині випускного каналу здійснюється саме пасивний напружений стан, оскільки матеріал піддається бічному обтисканню. Найбільш важливим в цьому випадку є питання про коефіцієнт бічного тиску в шарі сипкого матеріалу і в стінки [4 с.55-59].

ОСНОВИ ВИБОРУ ТИПА ТРАНСПОРТУЮЧОЇ МАШНІИ

Загальні умови вибору машини. Унаслідок великої різноманітності транспортуючих машин для вирішення одного і того ж завдання можна використовувати різних їх типів. Вибір машини, що якнайповніше задовольняє вимогам і умовам даного конкретного завдання, — вельми важливий і відповідальний етап розробки проекту механізації транспорту на підприємстві, який вимагає від проектанта не лише спеціальних знань конструктивних і експлуатаційних властивостей транспортуючих машин, але і детального знайомства з виробничим процесом на підприємстві, що механізується, і умовами довкілля і уміння виконувати техніко-економічне порівняння можливих варіантів рішення.

Основними критеріями вибору транспортуючої машини є задоволення комплексу заданих технічних вимог і техніко-економічна ефективність її вживання. Найважливішими умовами вибору машини є забезпечення надійності її роботи в заданих умовах і задоволення вимогам охорони праці і техніки безпеки. Ці умови у ряді випадків заставляють приймати дорожчі рішення за економічною оцінкою. Оптимальною слід рахувати таку машину (або комплекс машин), яка задовольняє всім заданим технічним вимогам виробництва і техніки безпеки, надійна в роботі, забезпечує високу міру механізації і найбільш сприятливі умови праці, дає високу економічну ефективність.

Технічні чинники вибору машини. Вибір оптимального типа транспортуючої машини визначають наступні технічні чинники.

Характеристика підмета транспортуванню вантажу. Детальний аналіз фізіко-механічніх властивостей підмета переміщенню вантажу може відразу значно звузити перелік можливих до вживання типів машин. При обліку цього чинника необхідно брати до уваги розміри часток вантажу, вимоги його збереження (наприклад, деякі машини викликають кришіння, дроблення вантажу) і надійності роботи машини (вологі, липкі вантажі багатьма машинами не транспортуються), забезпечення сприятливих умов праці (герметичність пристроїв, що транспортують вантажі, що порошать) і тому подібне.

Потрібна продуктивність машини. Кожна машина має свої межі оптимальних швидкостей і продуктивності. При заданій продуктивності із збільшенням швидкості відповідно зменшується кількість вантажу на одиниці довжини конвеєра, і машина виходить компактнішою. Наприклад, стрічковий конвеєр, що допускає швидкість руху вантажу, в 5 — 6 разів більшу, ніж скребковий, і в 10 разів більшу, ніж гвинтовий конвеєр, має значно велику продуктивність, аніж перераховані конвеєри при рівних габаритних розмірах поперечного перетину [5].

У статті [6] наведений приклад розробки устаткування для завантаження коксових печей сучасних коксохімічних заводів відповідно до особливостей процесу. Для цього пропрацювали цілий ряд конструкцій [7-11].

Також розроблена параметрична 3d модель пристрою.

Малюнок 2. — Модель живильника (корпус та підвісні тяги приховані),
17 кадрів з інтервалом 0,15с.; безкінечна кількість повторень; 197кБ.

ВИСНОВКИ

Для правильного проектування розвантажувально-вантажного устаткування необхідно знати основні властивості матеріалу, що описують його поведінку, враховувати особливості процесу, виділяючи найбільш важливі аспекти.

Процес розвантаження сипких матеріалів властивий безлічі галузей, але в кожній з них своя специфіка вибору устаткування.

ЛІТЕРАТУРА

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.

---

Про автора