автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Интенсификация разгрузки глубоких сельскохозяйственных емкостей

РОСТОВСКАЯ-НА-ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ (РГАСХМ)

На правах рукописи

о л

ПЕПЧУК АЛЕКСЕЙ ПЕТРОВИЧ о п ,

Ц А-:-'; ^ г - •)

■ и ¿..Л.)

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАЗГРУЗКИ ГЛУБОКИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЕМКОСТЕЙ

Специальность 05.20.01 - Мехашпаш 1я сельскохозяйственного

производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук'

Ростов-на-Дону 2000

Работа выполнена в Ростовской*на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения

Научные руководители: доктор технических наук

профессор Богомягких В. А. доктор технических наук профессор Радии В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Валуев Н.В.

кандидат технических наук ведущий научный сотрудник Смоленский А.В.

Ведущая организация: ОАО «Ростовский

Промзернопроект» г.Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится " /6 _2000 года

в ^часов на заседании диссертационной совета К.064.88.01 в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения по адресу: 344023, г.Ростов-на-Дону, пл.Страны Советов, 2, РГАСХМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАСХМ.

Автореферат диссертации разослан

Ученый секретарь диссертационного

совета кандидат технических наук -7 '

доцент && ---- Димитров В.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований. Опыт эксплуатации глубоких емкостей, в частности элеваторных силосов, показал, что в процессе истечения из них сыпучих материалов (зерна пшеницы, кукурузы, гороха, подсолнечника и т.п.) часто наблюдается явление сводообразования, которое ухудшает выдачу сыпучих материалов, их перепуск при вентилировании и перемещении из одного силоса в другой. Явление статического сводообразования приводит иногда к простоям и непроизводительной работе не только отдельных технологических линий, но и целых производственных комплексов.

На устранение в глубокой емкости только одного возникшего статически устойчивого свода затрачивается от 50 до 100 тыс.рублей. В целом же затраты на осуществление мероприятий по устранению простоев, вызванных сводообразованием сыпучих материалов, достигают 20-30% общих затрат на обслуживание глубоких емкостей, а затраты, связанные с ликвидацией последствий динамических нагрузок и явления резонанса, составляют в расчете на один глубокий железобетонный бункер (силос) в среднем 1,2 млн.рублей.

В производственных условиях для борьбы со сводообразованием в сельскохозяйственных емкостях применяются различного рода сводоразрушающие устройства. Однако, как показывает опыт их использования, они малоэффективны и зачастую не только не улучшают процесс истечения сыпучих материалов, а наоборот, создают дополнительные сопротивления движению потоков и являются причиной механического повреждения зерновых материалов (особенно посевных). В целях улучшения их работы обслуживающий персонал вынужден часто использовать примитивные средства, которые приводят порой не только к нарушению требований охраны и гигиены труда, но и к травматизму и несчастным случаям.

Причина сложившейся ситуации обусловлена тем, что разработка и проектирование бункерных устройств и, в частности глубоких элеваторных силосов, ведется на основе методов расчета, не учитывающих особенности сводообразующих факторов как самих бункеров (емкостей), так и находящихся в них сельскохозяйственных сыпучих материалов.

Из изложенного следует, что актуальность темы исследований связана не только с вопросами повышения уровня технической и технологической надежности глубоких сельскохозяйственных

емкостей, но и с социальными вопросами обеспечения требований охраны и гигиены труда обслуживающего эти устройства персонала.

Цель исследований заключается в разработке теоретических предпосылок механики сыпучих тел в глубоких емкостях и создании на их основе алгоритма и методики расчета технических средств, повышающих технологическую и техническую надежность работы глубоких емкостей типа элеваторных силосов.

Объект исследований - процесс движения сыпучих тел в глубоких емкостях в условиях образования в них статически устойчивых и неустойчивых сводов.

В качестве рабочей гипотезы в работе принято предположение о возможности повышения технологической и технической надежности работы глубоких емкостей путем использования эффектов явления сводообразования, проявляющихся в процессе истечения сыпучих тел.

Методика исследований. Исследование физико-механических свойств сыпучих материалов (зерна сельскохозяйственных культур) проводилось в соответствии с действующими стандартами. В ходе теоретических и экспериментальных исследований использовали методы теоретической механики, математического анализа, теории вероятностей. Применяли также скоростную киносъемку, тензометрирование и ЭВМ. .

Научная новизна решения проблемы заключается в теоретическом раскрытии и экспериментальном подтверждении потенциальных возможностей и направлений (способов) интенсификации процессов разгрузки глубоких емкостей на основе использования эффектов явлений, свойственных процессу сводообразования сыпучих материалов в их полостях. Новизна и полезность решения подтверждена патентом РФ.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что с ее помощью обоснованы методы прогнозирования уровня потенциальной возможности интенсификации процесса опорожнения и дозирующей способности как существующих, так и вновь проектируемых бункерных устройств большой емкости и в итоге разработаны практические рекомендации для конструкторов и эксплуатационников. Выявлено перспективное направление развития конструкций сводоразрушающих устройств, позволяющих интенсифицировать истечение сыпучих материалов из глубоких емкостей, снижать динамические нагрузки на их стены и исключать появление в материале стен резонансных явлений. Внедрение этих

методов и технических средств увеличивает производительность бункерных устройств в среднем на 20-40%, улучшает их дозирующую способность на 15-25% и повышает их технологическую и техническую надежность не менее чем в три раза.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований в виде конструкций бункерных устройств (сводоразрушающих устройств) внедрены в ОАО комбинат «Зерноградский».

Апробаг{ияработы. Исследования выполнялись в соответствии с планом НИР Ростовской-на-Дону государственной академии сельхозмашиностроения. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института механизации и электрификации сельского хозяйства, Азово-Черноморской государственной агрОйнженерной академии и Ставропольской государственной агроинженерной академии (г.Зерноград, г.Ставрополь, 1995-1997 гг.). '

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована книга, статья и описание к патенту на изобретение общим объемом более 10 печатных листов.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 5 таблиц.

На защиту выносятся следующие научно обоснованные результаты исследований:

- модель сыпучего тела и ее допущения, позволяющие рассматривать процесс истечения сыпучих тел из глубоких емкостей с точки зрения образования в них статически устойчивых и неустойчивых сводов;

- теоретические предпосылки, объясняющие физическую сущность возникающих в глубоких емкостях различных явлений и раскрывающие влияние сводообразования на технологическую и техническую надежность последних;

- алгоритм и методика расчета параметров глубоких емкостей и их технических средств, обеспечивающих интенсификацию разгрузки емкостей с точки зрения повышения их производительности, улучшения дозирующей способностй и увеличения срока службы материала их стен.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ существующих теорий механики сыпучих тел в емкостях» показаны особенности функционирования глубоких бункеров (силосов) в условиях своцообразования сыпучих материалов. Из анализа следует, что происходящие в емкостях процессы сложны и многообразны и мало изучены (А.И.Арефьев, Г.Н.Гениев, П.Н.Платонов, В.Ф.Семенов и др.). Сыпучий материал в определенных условиях может подчиняться законам гидравлики или твердого тела, т.е. является граничной средой. Это обстоятельство создает трудности при обосновании модели сыпучего тела и ее допущений и, следовательно, не позволяет описать аналитически многие процессы, наблюдаемые в емкостях при движении в них сыпучих материалов (Л.В.Гячев, В.А-Богомягких). Однако многие отечественные и зарубежные ученые указывают, что процесс истечения сыпучих материалов из бункеров есть одновременно процесс непрерывный и дискретный, т.е. явление сводообразования оказывает на процесс истечения сыпучих материалов большое влияние и, как правило, негативное.

В связи с изложенным в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование физической сущности процесса истечения сыпучих тел из глубоких емкостей.

2. Определение аналитических зависимостей, описывающих функциональную связь явлений в системе «сыпучее тело - граничные условия глубокой емкости».

3. Разработка алгоритма и методики расчета основных параметров и режимов работы технических средств, обеспечивающих интенсификацию разгрузки глубоких емкостей.

Во второй главе «Теоретические исследования механики сыпучих тел в глубоких емкостях» обосновывается модель сыпучего тела и ее допущения.

В работе принята комбинированная механическая модель дискретного сыпучего тела проф.В.А.Богомягких, которая, кроме известных допущений бессводообразующей модели сыпучего тела проф.Л.В.Гячева, включает допущения, позволяющие рассматривать процесс формирования и движения сыпучих тел в бункерах с точки зрения образования и разрушения в них неустойчивых сводов и их

переход в статически устойчивые своды. Эта механическая модель сыпучего тела представляет собой совокупность одинаковых абсолютно твердых шаровых частиц,подчиняющихся закону сухого трения, учитывающих форму реальных частиц, несоразмерных с размерами бункера и уложенных в его объеме послойно с некоторым среднестатистическим углом укладки. Модель также предполагает, что движение ее реальных частиц в потоке сыпучего тела происходит без относительного вращения по пересекающимся линиям скольжения, эквидистантным образующей поверхности скольжения потока. Исходя из существующих типов плотной укладки шаровых частиц в объеме бункера, определено, что среднестатистическое значение угла укладки равно 27"45', что приближается к одной из самых плотных укладок - тетраэдральной ( р £ зо" )•

Условная шаровая форма частиц, принятая в модели сыпучего тела, учитывает форму частиц реального зернистого материала с помощью коэффициента Кф искажения формы реальных частиц от шаровой частицы. Этот коэффициент определяется из условия равенства объемов и масс условной шаровой и реальной частиц. Диаметр условной шаровой частицы определяется по формуле

где Ь - длина реальной частицы; а - максимальный размер поперечного сечения реальной частицы.

Кроме угла укладки для частиц, у которых длина намного больше их ширины и толщины, найден среднестатистический угол ориентации большего размера частиц при их движении в емкости. Для частиц типа овса он равен 51°20' (относительно вертикали).

Угол наклона к вертикали эквивалентных линий скольжения, по которым движутся частицы сыпучего тела к выпускному отверстию бункера, определяется по известной формуле проф. Л.В.Гячева

где ф - угол внутреннего трения между отдельными частицами сыпучего тела; У пр- приведенный угол трения потока частиц по

плоскости скольжения, образованной неподвижными частицами самого сыпучего тела.

Эта формула справедлива для нормального вида истечения

(1)

я

2

,3 - Ф

(2)

сыпучего тела. При гидравлическом виде истечения ч> пр в указанной

формуле должно быть заменено на ф - угод трения потока частиц сыпучего тела, движущегося по стенке бункера.

В глубоких емкостях (типа элеваторных силосов) наблюдается смешанный вид истечения сыпучего материала. Как правило, в них гидравлический вид истечения переходит в нормальный. Граница перехода гидравлического вида истечения в нормальный определяется по формуле

А = ~

'&<*„ - ' (3)

где наибольший размер поперечного сечения емкости на уровне плоскости ее выпускного отверстия; наибольший размер выпускного отверстия емкости; х - угол наклона к вертикали стенки емкости..

При любом виде истечения сыпучего тела его частицы движутся к выпускному отверстию бункера по эквидистантным взаимно пересекающимся линиям скольжения. В результате такого движения частицы сталкиваются, возникают тормозящие импульсы, скорости их движения «гасятся». Любая частица при этом «стремится» занять в массе частиц устойчивое положение. Самое устойчивое положение, как известно из строительной механики и сопромата, - это их расположение по кривым сводов. Если контакты сталкивающихся частиц располагаются по кривым, близким к кривым от вышележащей нагрузки, то образуется неустойчивый (динамический) свод, который разрушается от действия вышележащей нагрузки, т.е. разрушается самопроизвольно. Динамические своды могут возникать в лю!бое время и в любом поперечном сечении бункера. Однако существуют поперечные сечения бункера, в которых динамические своды возникают наиболее вероятно. Математическое ожидание высоты бункера (поперечного его сечения), где наиболее часто возникают динамические своды, определено проф.В.А.Богомягких

(Я, - К, Мхи „ Я.-***.)' {)

где Л, - размер внешнего верхнего обреза бункера:

Д,с„- наибольший сводообразующий размер выпускного отверстия бункера.

Тот условный среднестатистический динамический свод, который «образуется» в поперечном сечении бункера на высоте (считая от плоскости выпускного отверстия), определяемой формулой (4), называется эквивалентным динамическим (неустойчивым) сводом. По своему влиянию на процесс истечения сыпучего материала и действующим нагрузкам на стены бункера он адекватен любому стохастически возникающему в бункере неустойчивому своду.

Динамические своды могут переходить в статически устойчивые, если контакт соприкасающихся частиц этих сводов располагается на кривых, совпадающих с кривыми от вышележащей нагрузки. При этом истечение сыпучего материала прекращается. Разрыв потока происходит в сечении бункера, размер которого удовлетворяет условию

о < R. < RKM (5)

Замена стохастически возникающих в бункере динамических сводов эквивалентным динамическим сводом, «образующимся» в сечении бункера и определяемым формулой (4), приводит к схеме установившегося истечения сыпучего тела (рис.1). По данной схеме истечения эквивалентный неустойчивый свод «abc» будет удерживать вышележащий сыпучий материал до тех пор (рис. 1а), пока все подпорные частицы, прилежащие к нему в подсводном пространстве «е», не освободят последнее (рис. 1 б). То есть эквивалентный свод начнет разрушаться тогда, когда через выпускное отверстие емкости

с размером Rti > /?„,„ истечет объем сыпучего тела, равный объему подсводного пространства «е» эквивалентного неустойчивого свода. Далее, по мере выхода объема сыпучего тела Vd, кривая свода « abc» начинает принимать форму перемычки «ас» (рис. 1 в). При этом между перемычкой «ас» й свободной поверхностью «а' с'» выходящего объема Vd образуется незаполненное сыпучим телом пространство « аа'сс'». Прекращение заполнения объема Vd емкости новой порцией сыпучего тела создает в последней условия истечения, аналогичные первоначальным (рис. 1а).

Указанная модель-схема объясняет пульсирующий характер истечения сыпучего тела из емкости, предполагает наличие в ее объеме максимального отрицательного давления воздуха, которое проявляется в сечении, расположенном непосредственно под сечением «ас» эквивалентного неустойчивого свода, и которое может фиксироваться в моменты прохождения частицами этого свода сечения « ас». Кроме того, в этом же сечении емкости могут

наблюдаться максимальные пиковые циклические динамические нагрузки, отрицательно влияющие на долговечность и техническую надежность материала стен бункеров, особенно глубоких емкостей. Схема истечения объясняет независимость скорости и расхода сыпучих тел от высоты их засыпки в емкости, а также возникновение в материале стен глубоких емкостей резонансных явлений.

Из анализа приведенной схемы истечения сыпучего тела следует, что время одного пульса (периода) истечения сыпучего тела может быть определено из выражения

T>t,+t2+t3, (6)

где t( - время выхода объема Ус сыпучего тела из выпускного отверстия емкости; t, - время выхода объема Vd из емкости; t3 - время разрушения свода «abc».

К v, к

? q V? v 7

где q - объемная производительность выпускного отверстия емкости без учета сводообразования (по теории проф.Л.В.Гячева);

к0~ коэффициент, характеризующий осевую относительную

податливость эквивалентного неустойчивого свода «abc».

Сумма {Ц +t2 ) определяет «чистое» время истечения сыпучего

тела из емкости, t3- паузу между выходящими из выпускного отверстия емкости дозами сыпучего тела.

Подставив в (6) значения tp t2 и t, из (7), получим

г JK

к „ q

Выражение (8) получено для условия истечения сыпучего тела из емкости при ее постоянной подпитке сыпучим материалов, т.е. при условии, что свободная поверхность сыпучего тела в емкости находится в любой момент времени на одном и том же уровне. В действительности (на практике) этот уровень при выгрузке сыпучих материалов из глубоких емкостей понижается от Н5 до 0, а период истечения изменяется от Тп, определяемого формулой (8), до значения

Тогда среднее время пульса истечения сыпучего тела определится выражением

_X0Vd+2(\+Xa)K

" 2).,,.г/ . • (|0)

а частота выхода доз сыпучего тела формулой 210-д

(И)

Значения расхода и скорости истечения сыпучего тела с учетом влияния сводообразования соответственно определятся зависимостями:

1 пф

** 5

_ (К + 2КАо

где .у +2С1+х_ж" " коэффициент, характеризующий

интенсивность процесса истечения сыпучего тела; Ев- площадь выпускного отверстия емкости.

Расход и скорость сыпучего тела без учета явления сводообразования определяются по известным формулам проф.Л.В.Гячева:

- для осесимметричных глубоких емкостей

- для глубоких емкостей со щелевыми выпускными отверстиями

... . 21-Я, Ы-К,

где I - длина щели выпускного отверстия; g - ускорение силы тяжести; ^ - коэффициент формы выпускного отверстия осесимметричного бункера.

В формулах (14) и (15) необходимо, чтобы Як > К1! а1. По теории проф.В.А.Бого.мягких

Я - <*>■№"-П +3у +ф)+1,5у л/я 2? „]

6у -51Ир(1+8 ,(16)

гдеАй, а, з -теоретическиекоэффициенты; о и у -соответственно плотность отдельной частицы и сыпучего тела в емкости.

В связи с тем, что при замыкании любого неустойчивого свода (в том числе и эквивалентного неустойчивого свода) происходит не мгновенная остановка всего столба сыпучего тела, а последовательное торможение его движущихся слоев, целесообразно для решения задачи по определению усилий, действующих на стенки емкости при возникновении и разрушении эквивалентного свода, ввести понятие «условной высоты падения» столба сыпучего тела на эквивалентный неустойчивый свод. Эта высота (рис.2) определяется по формуле

Х2-¥/

и

Рис.2. К определению динамических давлений, действующих в сыпучем теле глубокой емкости

где V' - скорость разрушения неустойчивого эквивалентного

свода без учета его относительной осевой податливости.

Основываясь на том, что суммарная работа, совершенная столбом сыпучего тела при его падении с высоты И¥ и силой сопротивления эквивалентного неустойчивого свода, равна нулю, осевое динамическое давление в этом же сечении емкости определится зависимостью

>.; - У !г ^

V 0.а ~ 0 аг

1+-

Ч '/ж.

(18)

где д () ст - статическое осевое давление:

У

Здесь к - теоретический коэффициент, характеризующий сопротивление движению сыпучего тела в бункере (по проф.Л.В.Гячеву).

Нормальное к стенкам бункера динамическое давление определяется по формуле

9 н.д ~Д'Ра.а

где Д = 0,5-5т2/3 - теоретический коэффициент, определяющий

отношение д пЛ к д 0 д..

Из изложенного следует, что частота выхода доз сыпучего тела из выпускного отверстия емкости есть не что иное, как частота возникновения или разрушения эквивалентного неустойчивого свода.

Следовательно, динамическая нагрузка на стенки емкости в ее сечении Нжв является нагрузкой циклической с частотой давления, определяемой формулой (11). При этом механизм процесса следующий. Движущийся столб сыпучего тела в емкости при быстром замыкании эквивалентного неустойчивого свода затормаживается и энергия удара, равная кинетической энергии движущегося столба сыпучего тела, передается через частицы эквивалентного неустойчивого свода его пяте и через нее материалу стенки емкости. При разрушении этого свода положительное давление на стенку емкости «снимается» и начинает действовать отрицательное давление в разрежении ввиду наличия поршневого действия истекающей из емкости дозы сыпучего тела. Если собственная частица материала стен емкости совпадает с частотой циклической динамической нагрузки со стороны эквивалентного неустойчивого свода, возникает резонанс материала стен, приводящий к быстрому их разрушению.

Динамическое давление на стены емкости, как следует из формулы (18), может во много раз превышать статическое давление.

Резюмируя изложенное, можно отметить, что для исключения негативного влияния явления сводообразования на функционирование глубоких емкостей необходимо разрабатывать технические средства, конструктивные параметры и режимы работы которых должны соответствовать конструктивным параметрам емкостей, физико-механическим свойствам сыпучих материалов, а также характеристикам сводчатых структур, возникающих в полостях емкостей при истечении из них сыпучих материалов.

В третьей главе «Экспериментальные исследования» поставлены цель и задачи экспериментальных исследований. Цель экспериментальных исследований - проверить адекватность теоретических предпосылок реальному процессу. В задачи исследований входило определение физико-механических свойств исследуемых сыпучих материалов; скорости, расхода и частоты пульсации сыпучих тел, выходящих из выпускных отверстий емкостей.

В качестве необходимого оборудования и приборов использовали: установку ТМ-21 для определения статических и кинематических (динамических) коэффициентов трения сыпучих материалов; ящик для определения углов естественного откоса сыпучих тел; литровую пурку для определения плотности сыпучих

материалов; девятиканальный самописец Н320-9; четырехканальный индуктивный теизометрический прибор (два прибора); весы типа ВНЦ; индуктивный датчик (восемь датчиков) конструкции РИИЖТА; секундомер; скоростную съемку СКС-1; частотомер электронно-счетный 43-28; две экспериментальные установки.

В соответствии с принятой моделью сыпучего тела изучали физико-механические свойства сыпучих материалов, подчиняющихся закону сухого трения: кукуруза - 12%, пшеница -14%; горох - 10,8%; стальные шарики - 0%; овес - 13%; суперфосфат гранулированный -3...5%; костер, эспарцет, суданская трава, ячмень - в пределах 14%.

Скорость истечения сыпучих материалов и их расход в начальный момент нарастают по параболе, а затем монотонно стремятся к своему предельному значению. Промежуток времени, когда скорость и расход изменяются по параболе, есть период неустановившегося истечения сыпучего тела. Емкость выходит в установившийся режим истечения в момент, когда в ней разрушается неустойчивый свод, вершина которого находится на свободной поверхности сыпучего тела. При этом время неустановившегося истечения примерно равно времени одного пульса установившегося истечения.

Увеличение размера выпускного отверстия емкости обусловливает повышение предельных скорости и расхода сыпучего материала. Это объясняется тем, что с увеличением поперечных сечений потока устойчивость неустойчивых сводов, возникающих в потоке, снижается и, следовательно, уменьшается время пульса истечения за счет снижения его составляющей гг

У емкостей, предназначенных для гидравлического истечения сыпучих тел, производительность дпр и скорость истечения Ут с

изменением угла наклона днища емкости а изменяются по гиперболическим зависимостям. При этом с увеличением или уменьшением

а , цп\\ ^соответственно уменьшаются или увеличиваются. Объясняется то тем, что с изменением угла ос изменяется подвижность частиц сыпучего тела: с увеличением угла а она уменьшается, с

уменьшением угла а - увеличивается,

У емкостей, предназначенных для нормального вида истечения

сыпучего тела, д и V не зависят от угла а , так как в этом случае угол наклона образующих потока «„зависит лишь от физико-механических свойств самого сыпучего тела, аккумулируемого в емкости.

Свойство сыпучего тела пульсировать при истечении обусловлено случайным стохастическим образованием и разрушением неустойчивых сводов по ?сей высоте потока в емкости. При этом среднестатистическая частота пульсации для конкретного сыпучего тела вполне определенна и зависит от его физико-механических свойств и конструктивных параметров емкости. Это подтверждает справедливость принятой в работе гипотезы о существовании в любой емкости зоны наиболее вероятного образования неустойчивого свода, устойчивость которого эквивалентна устойчивости всех случайно образующихся в емкости неустойчивых сводов.

С увеличением размера выпускного отверстия Лвпри ос -const частота пульсации выходящего потока сыпучего тела v увеличивается, т.е. повышается его степень сглаженности. При этом дозирующая способность емкости улучшается, а период Т уменьшается. С увеличением а при /?e=const v уменьшается. В этом случае уменьшение v происходит до определенного значения угла а =а кр.

Далее, при я когда гидравлический вид истечения переходит в

нормальный, а на поток сыпучего тела влияния не оказывает.

По значениям v можно судить о качественной стороне; работы емкости, т.е. о соответствии параметров емкости аккумулируемому в нем сыпучему материалу. С увеличением v дозирующая способность емкости повышается и, наоборот, с уменьшением v - снижается.

Это говорит о том, что дозирующую способность емкости можно улучшить изменением конструктивных параметров емкости

(величины его выпускного отверстия или значения угла а ).

У емкостей, предназначенных для нормального вида истечения, дозирующую способность можно изменять путем изменения формы

и размеров выпускных отверстий, так как у них а„ - const.

Увеличение v отрицательно сказывается на сроке службы глубокой емкости. Объясняется это тем, что часто возникающие в емкости неустойчивые своды (особенно эквивалентный неустойчивый свод) становятся препятствием для движущегося в нем потока сыпучего тела. В результате ударная нагрузка потока передается через свод на стены емкости, вызывая их колебания и увеличивая в

несколько раз (по сравнению со статическим) боковой распор.

При большой частоте пульса истечения сыпучего тела материал стен емкости испытывает повышенные динамические знакопеременные нагрузки, приводящие к усталости материала стен и к последующему его разрушению.

Как показывает опыт, разрушение емкостей большой вместимости и высоты (типа элеваторных силосов) начинается в сечении нижней конической или пирамидальной частях, расположенных в зоне (0,3...0,5)Н , считая от плоскости выпускных отверстий. Далее разрушение распространяется в сторону выпускного отверстия и, в конечном счете, глубокая емкость раскрывается подобно порталу.

В случае, если V эквивалентного неустойчивого свода совпадает с собственной частотой материала стен емкости, то возникнет резонанс для последних. В этом случае происходит быстрое разрушение стен емкости.

С целью увеличения производительности емкости, улучшения их дозирующей способности, а также предотвращения стен глубоких емкостей от преждевременного износа, внутри емкости целесообразно устанавливать колебательный элемент с частотой колебания, равной частоте возникновения и разрушения эквивалентного неустойчивого свода. Колебательный элемент необходимо устанавливать в зоне образования эквивалентного неустойчивого свода. Назначение колебательного элемента - разрушить неустойчивый свод и создать резонансный режим истечения сыпучего тела.

Следовательно, расчет технологических, конструктивных и режимных параметров емкостей (особенно глубоких) должен обязательно включать определение в них збны повышенных давлений. Это даст возможность при проектировании и изготовлении емкостей делать более прочными их опасные участки, а также подбирать режимы работы колебательных элементов, например, вибропобудителей.

По мере засыпки сыпучего материала в емкости

е о.си 6 й.ап.пр И е „.,,„ „.„„.,1р, что указывает на образование сводов в слое сыпучего тела. Характер изменения д 0пт для любых

сыпучих материалов остается один и тот же и не зависит ни от а , ни от формы и размеров выпускного отверстия.

Характер изменения предельного осевого давления о^ в зависимости от угла а для любых форм выпускных отверстий одинаков. При этом с увеличением угла а £> 0-пр- для любых сыпучих материалов уменьшается. Обусловлено это тем, что с увеличением

угла а значительная часть нагрузки от вышележащих слоев сыпучего тела передается на стенки днища емкости. Данное обстоятельство сохраняет силу и в случае истечения сыпучего тела, поскольку частицы, образующие поток, движутся по пересекающимся траекториям, способствующим, как указывает проф.В.А.Богомягких, уплотнению структуры сыпучего тела в зоне выпускного отверстия и увеличению усилий между частицами. Может случиться, что сжимающие усилия достигнут таких значений, при которых силы трения между частицами сыпучего тела превзойдут сдвигающие усилия, в результате чего образуется устойчивый свод и истечение сыпучего материала из емкости прекратится.

Максимальные предельные давления, действующие в сыпучем теле при его покое и движении в емкости, наблюдаются в зоне (0,3...0,5 )//_, считая от плоскости выпускного отверстия емкости.

Однако это справедливо для емкостей, у которых < ЯЖ1, где стрела

устойчивого свода / максимальна. При Л, > наибольшие давления наблюдаются в плоскости выпускного отверстия (случай очень редкий для емкостей, но характерный для кузовов). Связано это с осевой податливостью неустойчивых сводов.

В четвертой главе, «Алгоритм и методика расчета технических средств, интенсифицирующих и улучшающих процесс разгрузки полостей глубоких емкостей» приводятся общие положения методики, последовательность расчета сводообразующих устройств, а также примеры расчета сводоразрушающих устройств для глубокой емкости. Определено, что колебательный элемент сводоразру-шающего устройства с активным приводом, обеспечивающий так называемый резонансный режим истечения сыпучего тела из выпускного отверстия бункера, должен иметь следующие кинематические параметры:

- круговую частоту колебаний, равную 2лл> ;

- амплитуду колебаний, равную стреле свода (в среднем от 5 до 15 мм);

- текущую фазу колебаний, равную Ь +

- максимальную фазу колебаний при Ь = Т„ = ^, равную 2,5я .

Для пассивных колебательных элементов, представляющих собой, как правило, упругие элементы или элементы с упругими связями и возбуждающихся от периодически возникающих и разрушающихся неустойчивых сводов в зоне наиболее вероятного «возникновения» эквивалентного неустойчивого свода, необходимо, чтобы жесткость этих элементов или их упругих связей соответствовала периоду «возникновения» и «разрушения» эквивалентного неустойчивого свода, то есть, чтобы выполнялось условие

V

где т - масса колебательного элемента сводоразрушающего устройства; с - жесткость упругого колебательного элемента или жесткость его упругой связи:

0,4 т

с = 0,4v 'т , или с =

Т1

Масса колебательного элемента определяется по его конструктивным параметрам. Последние же выбираются в соответствии с величиной зоны бункера, где наиболее вероятно возникают неустойчивые своды, т.е. с величиной зоны бункера, равной 1/ЗНб, считая от плоскости его выпускного отверстия.

Таким образом, при определении параметров, частоты и амплитуды колебаний сводоразрушающего устройства для конкретного бункера и конкретного сыпучего материала необходимо знать:

- форму и конструктивные параметры бункера;

- вид истечения сыпучего тела из бункера;

- физико-механические свойства сыпучего материала;

- частоту и амплитуду «колебаний» эквивалентного неустойчивого свода;

- вид привода сводоразрушающего устройства.

В пятой главе «Экономическая эффективность внедрения

результатов исследований» показан годовой экономический эффект от внедрения устройства, который составляет в среднем на одну глубокую емкость около 400000 рублей.

Выводы и предложения

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы позволяет сделать следующие выводы и предложения.

1. Модель сыпучего тела проф.Л.В.Гячева-В.А.Богомягких, развитая и уточненная в диссертационной работе, дает возможность объяснить физическую сущность совокупности явлений, наблюдаемых в сыпучих телах при их покое и движении в глубоких емкостях. Допущение модели о способности ее частиц определенным образом ориентироваться в потоке сыпучего тела позволило уточнить существующие зависимости расхода, скорости и пульсации истечения сыпучих тел, выходящих из выпускных отверстий глубоких емкостей. Кроме того, это допущение дало возможность скорректировать статические и динамические давления, действующие в глубокой емкости при ее функционировании в условиях сволообразования частиц сыпучего тела.

2. Установлено, что действующие в емкости предельные давления сыпучего тела не зависят от его высоты столба, а зависят от физико-механических свойств, укладки и ориентации его частиц.

3. Предельные (максимальные) осевые и нормальные к стенкам емкости давления фиксируются в той зоне емкости, в которой наблюдается наиболее плотная структура сыпучего тела, т.е. там, где возникает «эквивалентный» неустойчивый свод. Величина этой зоны - (0,3...0,5)Не для любой емкости.

4. Скорость, расход и частота пульсации сыпучего тела не зависят практически от высоты столба сыпучего тела. Они зависят от конструктивных параметров емкости, физико-механических свойств сыпучих материалов, а также от нелинейной разницы размеров выпускного и наибольшего сводообразующего отверстий.

5. При нормальном виде истечения сыпучих тел нормальные динамические давления, действующие на стены нижней части емкости, в п раз меньше, чем при гидравлическом.

6. Частота пульса истечения сыпучих тел, выходящих из емкостей для сыпучих материалов, подчиняющихся закону Кулона, колеблется в пределах от 2 до 10 Гц. При этом для мелкозернистых

сыпучих тел типа просо она больше, чем у крупнозернистых типа горох, примерно, в 2...4 раза.

7. Если частота пульса истечения сыпучих тел совпадает с собственной частотой колебаний материала стен емкостей, то для последних может наступить резонанс, ускоряющий процесс их разрушения.

8. С целью устранения роста динамических давлений на стены емкости и повышения ее производительности необходимо внутри емкости в зоне возникновения эквивалентного неустойчивого свода установить рыхлительное устройство с частотой колебаний, равной частоте возникновения и разрушения эквивалентного неустойчивого свода.

9. Разработанные технические средства позволяют повышать производительность емкостей в 1,5...2,0 раза и улучшать их дозирующую способность на 25...40%.

10. Годовой экономический эффект от внедрения рыхлительного устройства составляет в среднем в расчете на одну глубокую емкость около 400000 рублей.

Несмотря на неизученность некоторых вопросов, представленные в данной работе результаты исследований позволяют выполнять инженерные расчеты рабочего процесса емкостей, в частности, силосов и бункеров.

Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования по проблеме позволят решать задачи, связанные с сыпучими материалами, в которых превалируют силы сцепления и деформация.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Богомягких В.А., Пепчук А.П., Богомягких C.B. К расчету основных параметров и режимов работы сводоразрушающих устройств для емкостей сельскохозяйственных машин//Механика деформируемых тел: Межвуз.сб.науч.тр. - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 1994. С.30-34.

2. Богомягких В.А., Пепчук А.П. Интенсификация разгрузки бункерных устройств в условиях сводообразования зернистых материалов. - Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 1995. - 162с.

3. Патент РФ №2060918. Бункерное устройство/А.П.Пепчук, В.А.Богомягких. - 0публ.27.05.96, Бюл.№15.

4. Описание изобретения к патенту РФ №2060918. Бункерное устройство.

Лицензия Плр № 020083 от 30.06.97 г.

Подписано к печати 14.02.2000. Формат 60x84/16 Бумага R91720 Печать трафаретная. Объем 1,1 усл.печ.л., 1,17 уч.-год.л. Заказ № 5/2000 Тираж 100

Отпечатано в редакционно-издательском отделе РГАСХМ г. Ростов-на-Дону, пл. Страны Советов, 2

ВВЕДЕНИЕ .'.:.

Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕОРИЙ МЕХАНИКИ СЫПУЧИХ ТЕЛ

В ЕМКОСТЯХ

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИКИ СЫПУЧИХ ТЕЛ

В ГЛУБОКИХ ЕМКОСТЯХ.

2.1. Обоснование модели сыпучего тела и ее допущений

2.2. Механизм формирования и движения сыпучих тел в полостях глубоких емкостей.

2.3. Основные зависимости, определяющие взаимосвязь параметров глубоких емкостей с характеристикой аккумулируемых в них сыпучих тел

2.4. Выводы по главе

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Цель и задачи экспериментальных'исследований

3.2. Программа и методика экспериментальных исследований.

3. 3, Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

3.4. Выводы по главе

Глава 4. АЛГОРИТМ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩИХ И^ УЛУЧШАЮЩИХ ПРОЦЕСС РАЗГРУЗКИ

ПОЛОСТЕЙ ГЛУБОКИХ ЕМКОСТЕЙ.

Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ (НА ПРИМЕРЕ СВОДОРАЗРУШАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕМКОСТИ ЗЕРНОВЫХ ОТХОДОВ АГРЕГАТА ЗАВ-40).

Необходимой составной частью многих мобильных и стационарных сельскохозяйственных машин, установок и сооружений являются оункрры и емкости различных форм.

Наряду с положительными их свойствами: возможность сочетания с любыми механизмами непрерывного или периодического действия, возможность аккумуляции сыпучего материала в том или ином объеме, простота конструкции и обслуживании, большая пропускная способность, относительно незначительные эксплуатационные расходы - они имеют и серьезные недостатки, проявляющиеся в виде перебоев в процессе выдачи.сыпучих материалов и разрушений материала стен (особенно для глубоких емкостей типа элеваторных сило-сов) .

Как показала практика эксплуатации таких емкостей, причиной этих негативных явлений служат образующиеся в массе сыпучих тел и у выпускных отверстий статически устойчивые и неустойчивые своды.

Частое образование сводов во многих случаях приводит к отказу от применения емкостей и к замене их другими рабочими органами или сооружениями, более дорогими и менее производительными, но с большей гарантией бесперебойной работы. Поэтому техническое усовершенствование установок и сооружений, включающих в себя емкости для аккумулирования, хранения, транспортирования, выдачи сыпучих материалов, с целью устранения в них явлений сводообра-зования есть, с одной стороны, борьба за повышение их технологической и технической надежности, а с другой, - борьба за широкое их применение в сельскохозяйственном производстве.

Теоретически этот вопрос для глубоких емкостей разработан недостаточно, хотя в процессе их эксплуатации определились дополнительные устройства, обеспечивающие предотвращение сводооб-разования: шуровочные отверстия, обстукивание стенок днища, установка внутри емкости рассекателей, ворошилок, сводоразрушающих досок и т. д. и т. п.

Однако, обобщая опыт использования этих устройств, В.Бого-мягких /3/ и В.Зашквара /15/ показывают, что увеличение капитальных и эксплуатационных затрат на них не оправдывает себя, так как такие емкости остаются с точки зрения их технологической и технической надежности малоэффективными.

В весьма немногочисленных теоретических работах, посвященных этому вопросу, рассматриваются, как правило, только силы, действующие на стенки глубоких емкостей при покое сыпучего тела. Движение же сыпучих тел в них изучается зачастую лишь экспериментально, причем данные, полученные различными исследованиями, не всегда согласуются. Такое положение в динамике сыпучих тел вообще, и в теории движения сыпучих тел в глубоких емкостях в частности, сдерживает технический процесс в рассматриваемой области.

Справедливость изложенного подтверждается отсутствием научно обоснованной методики расчета технологических и конструктивных параметров глубоких емкостей, а также тем, что до настоящего времени не объяснен ряд явлений, возникающих в глубоких емкостях в результате образования в них сводов движущимся сыпучим телом, а именно: физическая сущность пульсации истекающего из глубокой емкости сыпучего материала; причины разрушения стен глубоких емкостей (особенно емкостей из литого шлакобетона старой постройки) во время выпуска из них сыпучих материалов; влияние сводооб-разования на дозирующую способность емкостей и сглаженность выходящих из их выпускных отверстий потоков сыпучего тела.

Поэтому изучение механики сыпучих тел в условиях образования в них статически устойчивых и неустойчивых сводов и сопровождающих их явлений необходимо для разработки и проектирования научно обоснованных конструктивных, технологических и режимных параметров глубоких емкостей, применяемых в сельскохозяйственном производстве России.

Настоящая диссертационная работа решает часть важных вопросов научно-технической проблемы "Разработать основные принципы теории сводообразующих потоков сыпучих тел и создать на их основе методы и технические средства, интенсифицирующие и улучшающие функционирование сельскохозяйственных емкостей".

Цель работы - разработать теоретические предпосылки механики сыпучих тел в глубоких емкостях и создать на их основе алгоритм и методику расчета технических средств, повышающих технологическую и техническую надежность работы глубоких емкостей типа элеваторных силосов.

Объект исследований - процесс движения сыпучих тел в глубоких емкостях в условиях образования в них статически устойчивых и неустойчивых сводов.

В качестве рабочей гипотезы в работе принято предположение о возможности повышения технологической и технической надежности работы глубоких емкостей путем использования эффектов явлений сводообразования, проявляющихся в процессе истечения сыпучих тел.

На защиту выносятся следующие научно обоснованные результаты исследований:

1. Модель сыпучего тела и ее допущения, позволяющие рассматривать процесс истечения сыпучих тел из глубоких емкостей с точки зрения образования в них статически устойчивых и неустой

- 8 чивых сводов.

2. Теоретические предпосылки, объясняющие физическую сущность . возникающих в глубоких емкостях различных явлений и раскрывающие влияние свдообразования на технологическую и техническую надежность последних.

3. Алгоритм и методика расчета параметров глубоких емкостей и их технических средств, обеспечивающих интенсификацию разгрузки емкостей с точки зрения повышения их производительности, улучшения дозирующей способности и увеличения срока службы материала их стен.

- 9

3.4. Выводы по главе

Представленный анализ главы позволяет сделать следующие основные выводы:

В глубокой емкости в ее нижней сужающейся части при любом виде истечения существует зона наиболее вероятного возникновения "эквивалентного" свода, отстоящего, как правило, от выпускного отверстия на расстоянии, равном 0, 3 Не.

Частота пульса истечения сыпучего тела (что то же самое частота давления сыпучего тела на стены емкости) возникает в результате образования и разрушения в емкости неустойчивых сводов, наибольшая вероятность возникновения которых наблюдается в зоне (0,3. О, 5) Не.

Наибольшие статические и динамические нагрузки на стены емкости действуют в поперечном сечении емкости в зоне 0,3 Не.

- 94

Глава 4. АЛГОРИТМ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩИХ И УЛУЧШАЮЩИХ ПРОЦЕСС РАЗГРУЗКИ ПОЛОСТЕЙ ГЛУБОКИХ ЕМКОСТЕЙ

Расчет технических средств, интенсифицирующих и улучшающих процесс опорожнения емкостей и предотвращающих их стены от быстрого разрушения, ведется, как правило, в направлении определения зоны постановки их в емкости и их конструктивных и режимных параметров.

Техническое средство представляет собой устройство, которое предназначено для устранения в полостях емкостей плотных сводчатых структур, т.е. их интенсивного разрыхления.

Основные параметры и режим работы этих устройств обусловлены параметрами и характером "поведения" неустойчивых сводов той зоны емкости, где их возникновение наиболее вероятно. Такой зоной, как известно из результатов исследований, является зона возникновения и разрушения эквивалентного неустойчивого свода.

При расчете необходимо учитывать вид истечения сыпучего тела из емкости.

Необходимо также знать физико-механические свойства сыпучего материала: плотность у, углы внутреннего -ф и внешнего <р трения, приведенный угол трения фпр, условный диаметр частиц ду, угол укладки и ориентации частиц р в объеме емкости.

Алгоритм и последовательность расчета следующие:

1. Определяется место постановки устройства по формуле (2.12)

Я0-Ян . св) . св ^ [„ йв~^н.св ^ М(НЭКВ) = - 1п - + - ,

Ко -#В ) ' \ Ко . с В -йн св) где й0 - половина размера емкости на ее свободной поверхности в продольной плокости; йв - половина размера выпускного отверстия емкости;

- угол наклона к вертикали стенки днища емкости (при гидравлическом виде истечения). При нормальном виде истечения При этом 0^ = тг/2-(Зэ-,ф-фПр, где Эш =38° 18, а определяется по значениям о^, у и фпр.

2. Определяется наибольший сводообразующий размер выпускного отверстия по формулам (2.25), (2.26). а) для осесимметричных емкостей

Он . С В йу г4> (2(Щ+Зу) tg(f^э +Ц) +3,7 н . с в бБгп|Зэ (1+6- tgaí) б) для емкостей с щелевым отверстием

К.св ОуГАо (2т\+3у) tg($э -ир) +3ргп2|5э Ьщ ] н . с в 2

В этих формулах

А0 = tg(^p+a1) tg(pэ а = tg(^f)+a1 ) tg(fiэ 1 • СОБ|Зг б = уАг -сь^а^+А - А-сЬоа^:

При нормальном виде истечения = Ои

Ф = Фпр йу = ¡/а'Ъ'с', где а',Ь', с' - соответственно длина, ширина и толщина частицы.

Для правильных многоугольных выпускных отверстий йн св=йвн |А/зг, где Явн - радиус вписанной в многоугольник окружности. }x=ntg ж/п, (для конических емкостей), где п - число сторон правильного многоугольника; Т1 - плотность частицы.

3. Стационарный процесс "рождения" и "гибели" эквивалентного неустойчивого свода в первом приближении может быть описан уравнением гармонических колебаний х = Азт((й0Ь1+аф), где Л.Шо.Оф - соответственно амплитуда, круговая частота и начальная фаза колебаний.

Текущая скорость "деформации" эквивалентного свода при гармоническом колебании определяется по формуле

V = бХ/йЬ1 = А(1)0 СОБ ((1)0 +Оф ) .

Параметры А и находятся по начальным условиям. При Ь=0 х0 =Аз1тщ; v=A^й0 созо^.

Отсюда находим:

А = /х02 + V2/а)02; tg <% = (а)0-зс0/у0).

В момент полного замыкания любого неустойчивого свода, в том числе и эквивалентного, уо=0п, следовательно, А=х0, а (%= ж/2. Но эс0=/, где / - стрела свода, и значит А=Т, то есть амплитуда колебаний эквивалентного свода равна его стреле.

Выражая круговую частоту а)0 через частоту "возникновения" и "разрушения" эквивалентного неустойчивого свода V (формула 2.31), т.е. ы0=2ЛУ, уравнение его "колебаний" примет вид х = / Ж/2(4у Ь1+1) .

С целью интенсивного (резонансного) разрушения эквивалентного неустойчивого свода (разрыхления зоны наиболее плотных структур сыпучего тела в емкости) колебательный элемент сводо-разрушающего устройства должен быть установлен в той зоне емкости, в которой вероятность возникновения неустойчивых сводов максимальна. При этом частоты колебаний сводоразрушающего устройства и эквивалентного неустойчивого свода должны быть равны, а их фазы колебаний - совпадать.

- 97 -Х0 ■ (к

Х0Мй + (1+Х 0)Уе где ц = дКсв \ZgZtgсс^ (йв2,5-йн Св2,5^ ~ Для осесимметричных емкостей; ц1=21КСВ ¡/ё/Ь^а^ (йв1,5-йн св1,5) - для емкостей с щелевыми отверстиями.

К, с в Х0-Уй+2(1+Х0)Уе ц(Не-НЭКВ) э к в 2 +КВ 2 +КЭ к в ' ) '

Уе = Я-' ^э к в 6 2. ^ г ) ■ у *->лэ к в •'экв ' > и экв ~ ^э к в ~ /щ К В '

Р 2 • Н 2 ло "экв для осесимметричных емкостей п.

ЭК в

Уа = 0.5(йэкв+^КНе-НэквМ; ^ е Кэкв • 1(НЭКВ |/"-экв^' ^экв = -Нэкв ■ для емкостей с щелевыми отверстиями

Таким образом, колебательный элемент рыхлительного (сводо-образующего) устройства с активным приводом, обеспечивающим так называемый резонансный режим разрыхления сыпучего тела, должен иметь следующие кинематические параметры: круговую частоту колебаний, равную 2жу; амплитуду колебаний, равную /; текущую фазу колебаний, равную ж/2 (4и£1+3); максимальную фазу колебаний при 1/и, равную 2,5%. Для пассивных колебательных элементов, представляющих собой, как правило, упругие элементы или элементы с упругими связями и возбуждающиеся от периодически возникающих и разрушающихся неустойчивых сводов в зоне наиболее вероятного "возникновения" эквивалентного неустойчивого свода необходимо, чтобы жесткость этих упругих элементов или их упругих связей соответствовала периоду "рождения" и "гибели" эквивалентного неустойчивого свода, т.е. чтобы выполнялось условие

Гп = 1/и = 2Ж |/т/с, где т - масса колебательного элемента рыхлительного (сводоразрушающего) устройства; с - жесткость упругого колебательного элемента или жесткость его упругой связи. Жесткость пружины определяется по значению предельной, нормальной к стенке емкости, динамической нагрузки Рн пр р

ГН.пр л „ о

С = -- = О,4ут,

АI где ДI - усадка пружины.

Масса рыхлительного устройства т определяется по его конструктивным параметрам, а последняя - в соответствии с конструкцией и геометрическими параметрами емкостей. Данный алгоритм расчета легко программируется для ЭВМ и элементарных компьютеров.

Пример расчета. Рассчитать режимные параметры сводоразруша-ющего устройства для емкости, нижняя часть которой имеет параметры: К0=1м; Кв=0,05 м; а=25°. Сыпучий материал - горох, физико-механические свойства которого: т|М2°, <р=15°, фпр=38°, йв =0, 005м, ¡Зэ =10°, ^=800 кг/м3- т\=850 кг/м3 • Емкость коническая, работающая с постоянной подпиткой сыпучим материалом (рис.4.1). Используя методику расчета, получим - высота емкости

Не = (й0 -йв) = 2,037 м.

- емкость предназначена для гидравлического вида истечения гороха, так как а<Оп = ж/ 2-$ —а|)—фп р = 30°;

- наибольший сводообразующий размер выпускного отверстия емкости н .св = 0,026 м;

- высота расположения в емкости "эквивалентного" неустойчивого свода

Нэ к в = 1,88 м;

- предельная производительность (объемная) емкости без учета сводообразования в ней гороха

Чпр = О, 0042 л^/с;

- объем подсводного пространства е "эквивалентного" неустойчивого свода

Уе = 0,0011 м3;

- объем = 0,00376 /и3;

- частота пульсации при истечении гороха

V = 0,7 Гц;

- предельный объемный расход гороха с учетом его сводообразования qпp' = 0,0034 /и3 /с;

- предельная массовая производительность емкости

Чпр-м"' = 0,0034 1 = 2,72 кг/с;

- предельная скорость истечения гороха упр' = 0,433 м/с;

- статическое осевое давление в сечении "эквивалентного" неустойчивого свода р0 ст = 199,19 Па;

- статическое нормальное давление в сечении "эквивалентного" неустойчивого свода

Рн ст = 139,4 Па;

- предельное осевое и нормальное динамические давления в сечении "эквивалентного" неустойчивого свода

Ро дин = 466 Па; Рн .дин = 313,56 Па.

Чтобы увеличить производительность такой емкости и снизить нормальные предельные давления на ее стены в сечении "эквивалентного" свода, необходимо в ее полости установить (в зоне возникновения "эквивалентного" свода) на высоте Нэкв= 1,88 м рыхли-тельное устройство с режимной характеристикой, равной у=0, 7 Гц, А0=Тст. Таким рыхлительным (сводоразрушающим) устройством может быть устройство, показанное на рис.4.2. Его описание следующее.

На конической части корпуса 1 емкости установлены подвижные стенки 2, выполненные в виде упругих пластин, имеющих верхнюю часть 3 и нижнюю часть 4. Отогнутая внутрь емкости нижняя часть 4 выполнена с ребордами 5 из эластичного материала (например, резины), входящими внутрь ниши 8, образованной двумя металлическими стенками 6, жестко закрепленными на внутренней поверхности стенки емкости. Сверху ниша закрыта легким эластичным материалом 7 (например, резиной).

Устройство работает следующим образом. Воспринимая на себя давление образующегося свода материала, подвижные стенки 2 прижимаются к внутренней поверхности корпуса 1 емкости. При этом свод, теряя свою устойчивость, разрушается и подвижные стенки приходят в колебательное движение, препятствуя тем самым образованию новых сводов. Эластичные реборды 5 изогнутых внутрь емкости нижних частей подвижных стенок входят в полость незаполненной сыпучим материалом ниши 8, образованной двумя металлическими стенками, жестко закрепленными на внутренней поверхности стенки

- 104

Глава 5.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ на примере сводоразрушающего устройства для емкости отходов агрегата ЗАВ-40)

В процессе работы в емкостях зерновых отходов зерноочистительных агрегатов типа ЗАВ часто возникают статически устойчивые своды. Они препятствуют свободному выходу зерновых отходов в транспортное средство и тем самым снижают их производительность примерно в 1,5.2,0 раза. В производственных условиях разрушение этих сводов производят вручную с помощью шеста или лопаты или обстукиванием днища емкости кувалдой. Однако такой способ разрушения сводов связан с нарушением правил техники безопасности и гигиены труда.

В целях устранения статического сводообразования в емкостях отходов и улучшения труда обслуживающего их персонала в емкостях зерновых отходов ЗАВ устанавливается (по нашим разработкам) сво-доразрушающее устройство, показанное на рис.5.1.

Сводоразрушающее устройство состоит из направляющего кронштейна 1, жестко соединенного с подвижным днищем емкости; троса с проталкивателем 2 и пружиной; стойки 6 с роликом 5.

Работает устройство следующим образом. Для выгрузки из емкости в транспортное средство зерновых отходов с помощью рычага (на рис.5.1 он не показан) перемещают тягу 4 шибера 3 выпускного отверстия емкости. При этом стойка 6, приваренная к тяге 4, также перемещается. Ролик 5, воздействуя на направляющий кронштейн 1, поворачивает подвижную часть днища емкости, увеличивая при этом размер выпускного отверстия на 80.100 мм.

Перемещаясь вместе с подпружиненным тросом, проталкиватель

Сводоразрушающее устройство для емкости отходов агрегата ЗАВ-40

- 106

2 способствует сдвигу массы зерновых отходов, забивших выпускное отверстие емкости.

Таким образом, разрушение возникающих статически устойчивых сводов осуществляется с помощью рычажного механизма шибера емкости вдали от его выпускного отверстия.

Расчет экономической эффективности использования указанного сводоразрушающего устройства произведен для емкости зерновых отходов зерноочистительного агрегата ЗАВ-40.

Исходные данные к расчету взяты по учхозу "Зерновое" Зер-ноградского района Ростовской области.

1. Агрегат ЗАВ-40

2. Производительность ЗАВ-40 4=40 т/ч

3. Число рабочих смен псм= 2

4. Продолжительность смен Гсм= 10 ч

5. Засоренность зерна Т1= 20%

6. Расстояние (среднее) перевозки 1= 4 км зерновых отходов

7. Общая посевная площадь 7302 га

8. Урожайность зерновых и=28, Зц/га (18876 т)

9. Время погрузки отходов в автомашину грузоподъемностью Гм= 2,5 т а) из емкости отходов без сводо- ¿погр" 25 мин разрушающего устройства б) из емкости отходов со сводо- ¿погр= 5 мин разрушающим устройством

10. Средняя скорость движения автомашины у= 33 км/ч машины

11. Время разгрузки автомашины £разг= 0,03 ч

12. Время взвешивания Ьвз= 0,02 ч

- 109 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы позволяет сделать следующие выводы и предложения.

1. Модель сыпучего тела проф. Л.В.Гячева-В.А.Богомягких, развитая и уточненная в диссертационной работе, дает возможность объяснить физическую сущность совокупности явлений, наблюдаемых в сыпучих телах при их покое и движении в глубоких емкостях. Допущение модели о способности ее частиц определенным образом ориентироваться в потоке сыпучего тела позволило уточнить существующие зависимости расхода, скорости и пульсации истечения сыпучих тел, выходящих из выпускных отверстий глубоких емкостей.Кроме того, это допущение дало возможность скорректировать статические и динамические давления,действующие в глубокой емкости при ее функционировании в условиях сводообразования частиц сыпучего тела.

2. Установлено, что действующие в емкости предельные давления сыпучего тела не зависят от его высоты столба, а зависят от физико-механических свойств, укладки и ориентации его частиц.

3. Предельные (максимальные) осевые и нормальные к стенкам емкости давления фиксируются в той зоне емкости, в которой наблюдается наиболее плотная структура сыпучего тела,т.е. там, где возникает "эквивалентный" неустойчивый свод. Величина этой зоны - (0,3.О,6) Не для любой емкости.

4. Скорость, расход и частота пульсации сыпучего тела не зависят практически от высоты столба сыпучего тела. Они зависят от конструктивных параметров емкости, физико-механических свойств сыпучих материалов, а также от нелинейной разницы размеров выпускного и наибольшего сводообразующего отверстий.

- 110

5. При нормальном виде истечения сыпучих тел нормальные динамические давления, действующие на стены нижней части емкости, в п раз меньше, чем при гидравлическом виде истечения.

6. Частота пульса истечения сыпучих тел, выходящих из емкостей, для сыпучих материалов, подчиняющихся закону Кулона, колеблется в пределах от 2 до 10 Гц. При этом для мелкозернистых сыпучих тел типа "просо" она больше, чем у крупнозернистых типа "горох", примерно, в 2.4 раза.

7. Если частота пульса истечения сыпучих тел совпадает с собственной частотой колебаний материала стен емкостей,то для последних может наступить резонанс,ускоряющий процесс их разрушения.

8. С целью устранения роста динамических давлений на стены емкости и повышения ее производительности необходимо в зоне возникновения эквивалентного неустойчивого свода в емкости установить рыхлительное устройство с частотой колебаний, равной, частоте возникновения и разрушения эквивалентного неустойчивого свода.

9. Разработанные технические средства позволяют повышать производительность емкостей в 1,5.2,0 раза и улучшать их дозирующую способность на 25-40%.

10. Годовой экономический эффект от внедрения рыхлительного устройства составляет в среднем в расчете на одну глубокую емкость около 400000 рублей (в ценах 1994 года).

Несмотря на неизученность некоторых вопросов, представленные в данной работе результаты исследований позволяют выполнять инженерные расчеты рабочего процесса емкостей (силосов и бункеров. Дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных исследований по проблеме позволит решать задачи, связанные с сыпучими материала, в которых превалируют силы сцепления и деформации.

1. Алферов К.В. Бункеры, затворы, питатели.- М.,1946.-178с.

2. Алферов К.В., Зенков Р.П. Бункерные установки.- М.: Маш-гиз, 1955.- 308 с.

3. Богомягких В.А. Теория и расчет бункеров для зернистых материалов,- Ростов-н/Д, Изд-во Ростов.ун-та, 1973,- 149 с.

4. Васильев Н.И. Транспорт на обогатительных фабриках.-1949.- 280 с.

5. Веденяпин Г.Н. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных.- М., 1967.- 159 с.

6. Вельшоф Г.Р. Определение расхода сыпучих материалов // Сельское хозяйство за рубежом.- 1962.- N 4,- С. 67-73.

7. Володарский А., Пфеффер А. Давление воздуха в объеме гранулированного твердого материала истекающего из бункера // Конструирование и технология машиностроения: Тр. америк.общ.инж.-мех. М.: Мир, Сер. В., 1969, N2,- С. 96-99.

8. Гейм Ю.А., Семенов В.Ф. Аналитическое исследование давлений сыпучего материала в емкости // Молодежь и технический прогресс: Тез.докл.науч.-техн.конф. ч.II.- Барнаул: АПИ, 1975.-С.27-30.

9. Гениев Г.А. Вопросы динамики сыпучей среды: Науч.со-об.ЦНИИСК. Вып.2,- М.: Госстройиздат, 1958.- 122 с.

10. Гутьяр Е.М. Распределение давления на стенки силосной башни// Тр.ин-та / Моск.автодор.ин-т.- М.: 1935, сб. 2.-С.182-184.

11. И. Гячев Л.В. Движение сыпучих материалов в трубах и бункерах. М.: Машиностроение, 1968.- 184 с.

12. Гячев Л.В. Основы теории бункеров,- Новосибирск: Изд-во Новосибирского университета, 1992,- 307 с.- 112

13. Гячев Jl.В., Кеплер Г. Об основах теории истечения сыпучих материалов и некоторых результатах ее экспериментальной проверки // Изв.вузов,- Сер."Стр-во и архитектура",- 1983,- N 9.

14. Дженике A.B., Иогансон И.Р. О теории нагрузок на бункера// Конструирование и технология машиностроения: Тр.аме-рик. общ. инж.-мех. М. : Мир, сер. В., 1969,- N 2.- С. 51-59.

15. Зашквара В.Г. Конструкция бункеров, силосов и угольных башен с точки зрения зависания угля и шихты // Кокс и химия.-1940.- N 9.- С.16-25.

16. Зенков Р.Л. Механика насыпных грузов.- М.: Машиностроение, 1964,- 251 с.

17. Карчевский И.С. Опыт исчисления давления зерна на дно и стены закромов // Журнал МПС. 1894, Кн.З,- С.291-344.

18. Кенеман Ф.Е. О свободном истечении сыпучего тела // Изв. АН СССР Сер."Механика и машиностроение",- М., I960,- N 2.-С.70-77.

19. Ковтун A.A., Платонов П.Н. Измерение давления сыпучего тела по началу перемещения // Пищевая технология,- 1961,- N 1,-С.18-23.

20. Ким B.C. Давление зерна и совершенствование конструкций силосов зерновых элеваторов,- М.: Хлебоиздат, 1959.- 55 с.

21. Кунаков B.C. Исследование характера сил трения между зернами влажного сыпучего материала,- Ростов-н/Д, 1980,- 5с.-Деп. в ЦНИИТЭИтракторсельмаш 12.02.1981, N 193.

22. Кочанова И.И. Исследование производительности истечения сельскохозяйственных сыпучих материалов из бункеров,- Саратов, 1996.

23. Линчевский И.К. К вопросу об истечении сыпучих тел. "Журнал технической физики", т.IX, вып.4,- 1939.- С.343-347.- из

24. Мерзляков И.П. К вопросу об истечении сыпучих тел // Учен.зап.Молотовского гос.ун-та, т.II, вып.4,- Харьков: Гос. ун-тет, 1955.- С. 93-96.

25. Надеждин В. Распределение давлений в сыпучих телах // Журнал МПС,- Янв., 1891.- с.109-131; февр.-март, 1891.-С.237-254.

26. Платонов П.Н., Банит Е.А. Пропускная способность выпускных отверстий силосов и бункеров // Мукомол.-элеватор.промышленность. 1958.- N 8.- С. 28-29.

27. Платонов П.Н. Исследование движения зерновых потоков: Дис. .докт.техн.наук.- М., 1958.

28. Покровский Г.И., Арефьев А.И. Об истечении сыпучих тел // ЖТФ.- 1937,- Т.VII, вып.4,- С.424-427.

29. Пановченко Н.П. Изучение движения материалов в доменной печи при помощи радиоактивных изотопов // Сталь,- 1957.- N 12.-С.12-15.

30. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. Ч. I и II. М., 1933.

31. Пипер К. Исследование силосных нагрузок на моделях // Конструирование и технология машиностроения: Тр.амер.общ.инж.-мех. М. : Мир, сер. В, 1959,- N2.- С. 80-87.

32. Пешль И.А. Теория сводообразования в бункерах // Конструирование и технология машиностроения: Тр. амер. общ. инж.-мех.-М. : Мир, сер. В, 1969,- N 2.- С. 142-152.

33. Рабинович Н.Э. Курс строительной механики. М., ч. I, 1950,- 147 с.

34. Романовский В. В. Математическая статистика,- М. J1., '1938.- 163 с.

35. Слесарев В.И. Величина горного давления.- М.,1936.-172с.- 114

36. Сорокин H.B. Обобщение формулы Янсена для силосов, наполненных разнородными материалами // Советское мукомолье и хлебопечение. 1934,- N 3,- С. 16-17.

37. Сорокин Н.В. Давление сыпучих тел на стены и дно силосов переменного сечения // Там же, 1935,- N 4.- С.17-20.

38. Сорокин Н.В. Давление вытекающего зерна на стены и дно силосов // Там же, 1936.- N 2.- С. 23-26.

39. Циборовский Я., Бонзыньски М. Свободное истечение сыпучего материала через отверстие в конусном днище сосуда // Инж.-физ.журн. Минск, 1963, т. VI, вып. 7,- С. 26-35.

40. Цимбаревич П.Е. Механика горных пород. М.,, 1948.-154с.

41. Цытович И.И. Механика грунтов.- М., 1963,- 236 с.

42. Чесноков С.Н. Исследование явлений сводообразования в бункерах, применяемых в железнодорожном хозяйстве: Дис.канд. техн. наук, 1953.

43. Шумский Д.В. Давление зерна на дно и стены закромов // Советское мукомолье и хлебопечение.- 1929.- N 1.- С.7-13; N 2,-С.81-89.

44. Bierbaumer. Die Dimensionierung des Munnelmanerwerk.es, Leipzig und Berlin. 1913.

45. Engesser N. Dentsihe Bauzeitung. Leipzig. 1882.

46. Janssen H.A. Versnche über Getreidedruck in Sibozellen //гл. VDI. 1895, в XXXIX, N 35. S. 1045-1049.

47. Jenkin С.F. Pressure Exerted by Gramilar Material: an Application of the Prinnciples of Dilatancy // Proceedings of Royal Society of London, Ser.A. 1931. Vol.131. P.53-89.

48. Kommereil. Statische Berechnung vom Tunnelmanerwerk. Berlin, 1912.

49. Ritter W. Die Statik der Tunnelgewolbe. Berlin, 1879.- 115

50. Schulz Р. Zeitschr für das Berghutten und Salinenwesen in Prusstaate. Berlin, 1867.

51. Welschof C. Jandtechnisihe'Forschung, 11, 5, 138-141.,1961.

52. Willman E. Über einige Gebirgsdruckerscheinung U.S.W. Berlin, 1900.

53. Hagen E. Berliner Monataberichte der Akademie der Wissenschaften, 1852, N 35.

54. Инструкция по проектированию элеваторов, зерноскладов и других предприятий, зданий и сооружений по обработке и хранению зерна (СН.261-77) М.: Стройиздат, 1977,- 46 с.

55. ВентцельЕ.С. Теория вероятностей.- М.: Наука, 1964.576 с.

56. Богомягких В.А., ПепчукА.П. Интенсификация разгрузки бункерных устройств, функционирующих в условиях сводообразования зернистых материалов. Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 1996.- 146 с.А

57. В результате эксплуатации этого устройства за период с 1997 по 2000 годы сэкономлено на ремонте элеваторного силоса 400 тысяч рублей (четыреста тысяч рублей).

58. Расчет экономической эффективности внедрения сводоразрушающего устройства произведен по общепринятой методике (1999г.).

59. Представители Представители (авторы)

60. ОАО Комбинат"Зерноградский" патента РФ №2060918,1996г.

61. Зам.директора по производству1. САФОНОВ И.Н./

62. Пепчук А.П./ /Богомягких В.А./212.1999г.- 117

63. НЕКОТОРЫЕ ВИЗУАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ПРОЦЕССА ИСТЕЧЕНИЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ ИЗ ЕМКОСТЕЙ

64. Гидравлический вид'истечения1. Нормальный вид истечения- 118

65. Укладка стальных шаров в плоской емкости с прямолинейными боковыми стенками

66. Укладка стальных шаров в плоской емкости с криволинейными боковыми стенками- 119

67. Движение стальных шаров в емкости с криволинейнымибоковыми стенками

68. След траекторий стальных шаров на задней стенке емкости с криволинейными боковыми стенками- 120

69. Движение стальных шаров в емкости с прямолинейнымибоковыми стенками

70. След траекторий стальных шаров на задней стенке емкости с прямолинейными боковыми стенками- 121 -Статически устойчивый свод (стальные шарики)

71. Статически устойчивый свод (кукуруза)

72. Процесс уплотнения и разрыхления сыпучего тела в емкости при скоростной съемке (пшеница)