автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Обоснование параметров винтового питания приемных устройств складов минеральных удобрений

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО -ШСЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ ПО ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКЕ ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКИ И МЕХАНИЗАЦИИ ВНЕСЕНИИ В ПОЧВУ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

(ВНИПИагрохш)

На правах рукописи

САЛЫНСКИЙ Владимир Федотович

ТЩ 631.244.2:621.86.067.2

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИНТОВОГО ПИТАТЕЛЯ ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ СКЛАДОВ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

РЫЧКОВ В.А.

Рязань - 1998

оглавление

Стр.

вшдоние....................... 5

глава i. состояние вопроса и задачи исследований ... ю

1.1. Характеристика физико-механических свойств твердых минеральных удобрений и технологий

их складской переработки ......... Ю

1.2. Анализ конструктивно-технологических решений приемных устройств .......... 19

1.3. Обзор конструкций винтовых конвейеров и опыт их эксплуатации на транспортировке минеральных удобрений............ 33

1.4. Анализ исследований процессов транспортирования и методов расчета параметров винтовых конвейеров................ 44

Выводы и постановка задач исследования ..... 58

глава 2. теоретические исследования......... 60

2.1. Обоснование технологической схемы и производительности приемного устройства с винтовыми питателями.............. 60

2.2. Расчет производительности винтового питателя 67

2.3. Расчет затрат мощности на транспортирование винтовым питателем ............ 73

2.4. Анализ зависимостей производительности и энергоемкости винтового питателя ..... 86

2.5. Анализ влияния конструктивных элементов

винтового питателя на его энергоемкость . . 96

Выводы.....................

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

исследований................юз

3.1. Программа исследований..........ЮЗ

3.2. Планирование экспериментов и обработка опытных данных .............. 104

3.3. Методика определения производительности и энергоемкости винтового питателя ..... Ю8

3.4. Методика оценки степени разрушения гранул удобрений ................. Ш

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРШЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ....... П4

4.1. Анализ соответствия теории опытным данным П4

4.2. Определение сопротивления пластинчатой решетки давлению сыпучего тела ....... 122

4.3. Исследование экспериментального образца винтового питателя ............ 126

4.4. Исследование изменения качественных показателей минеральных удобрений........132

Выводы..................... 136

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. ОЦЕНКА

ЭШКТИВНОСТИ ВИНТОВОГО ПИТАТЕЛЯ......138

5.1. Общая методика расчета параметров винтового питателя.................138

5.2. Результаты внедрения исследований.....143

5.3. Оценка эффективности внедрения винтовых

питателей.................

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ......162

ЛИТЕРАТУРА.................... . 164

приложения.....................177

ВВЕДЕНИЕ

Мировым и отечественным опытом доказано, что в общей системе факторов, формирующих урожай сельскохозяйственных культур, минеральные удобрения обеспечивают более половины его прироста

[з].

Эффективное использование минеральных удобрений в значительной мере зависит от уровня развития и совершенствования материально-технической базы химизации, создания прогрессивных, экологически безопасных и энергосберегающих технологий транспортировки, складской переработки и подготовки удобрений к внесению, обеспечения высокопроизводительными техническими средствами, позволяющими комплексно механизировать и автоматизировать проведение погрузочно-разгрузочных и складских операций [93-99] . Основу материально-технической базы химизации составляет складское хозяйство, включающее сеть прирельсовых, пристанских, глубинных - хозяйственных и межхозяйственных складов. Создание и совершенствование складской сети для твердых минеральных-удобрений тесным образом было связано с переходом промышленности по их производству преимущественно на бестарную поставку в специализированных вагонах-хопперах.

Высокие темпы химизации сельского хозяйства в нашей стране в период 1960-1988 г.г. опередили темпы научно-технического прогресса в этой области. Энергичное развитие производства и потребления минеральных удобрений не было увязано с созданием соответствующей инфраструктуры, обеспечивающей эффективное их применение. В начальный период массового строительства складов минеральных удобрений при отсутствии четкого представления о специфических условиях эксплуатации такого рода объектов в проектных решениях использовались схемы переработки удобрений

и средства механизации, заимствованные из других отраслей производства. Параллельно накапливался опыт проектирования, разрабатывались более прогрессивные решения, научные методы оптимального перспективного планирования размещения и строительства складов [49, 57, ПО] . Большой объем научных исследований, направленных на совершенствование технологических, объемно-планировочных и конструктивных решений складов незатаренных минеральных удобрений выполнили институты:^ Гипронисельхоз, ВИУА, ЦНГОПсельстрой, ЦНИШХХ, ВНЖШагрохим. На основе выполненных исследований в период 1965-1990 г.г. было разработано около двухсот типовых проектов складов данного назначения [108, 112] .

Одной из основных транспортно-технологических операций складской переработки удобрений является выгрузка их из транспортных средств, в частности из железнодорожных вагонов. Разработанные и используемые для этой цели приемные устройства бункерного типа и на повышенном пути, как показал опыт, имеют ряд недостатков. Они весьма капиталоемки, не обеспечивают компактности объемно-планировочных решений складского комплекса. Стоимость приемных устройств указанных типов достигает 20-30% стоимости складов .[68, 77, 127] .

При сравнительно небольших грузопотоках удобрений на прирельсовые базы (1-2 вагона в сутки) более эффективным является способ разгрузки вагонов-хопперов, при котором их опорожнение осуществляется по мере отбора истекающих из люков удобрений.

Для приемных устройств данного типа в стационарном исполнении наиболее приемлемыми являются винтовые питатели в открытом желобе, которые, наряду с транспортированием продукта, в этом случае одновременно выполняют функцию подвижного днища подрельсового бункера. В отличие от других средств механизации

винтовые питатели способны обеспечить минимальное заглубление подрельсового приямка, дозированную подачу насыпного груза на последующее транспортное звено, компактность и универсальность приемного устройства [48, 112] .

Однако, опыт внедрения данного типа винтовых питателей в стационарных приемных устройствах прирельсовых и глубинных складов минеральных удобрений выявил ряд их недостатков и необходимость совершенствования конструкции. Основным из недостатков явилась высокая энергоемкость процесса транспортирования, ввиду отсутствия надежной защиты транспортируемого потока от давления вышележащего столба насыпного груза, особенно при выгрузке удобрений из вагонов-минераловозов [ 77 ] .

Вместе с тем, имеющиеся на сегодня исследования винтовых конвейеров не учитывают особенности процессов транспортирования в рассматриваемых условиях их эксплуатации и не позволяют расчетным путем определить и выбрать рациональные параметры винтового питателя, обеспечивающие заданную производительность при минимальной энергоемкости [ 23,25,31,41,43,47,114] .

В связи с изложенным возникла необходимость в проведении исследований и создании на их базе эффективной конструкции винтового питателя для использования его в качестве средства механизации приемных устройств складов минеральных удобрений.

Исследования были выполнены в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ ВНИПИагрохим по теме: "Разработка и внедрение прогрессивных технологий, технических средств и рациональной организации складской переработки минеральных удобрений"(1986...1990 г.г.), а также согласно раздела 01.03 научно-технической программы РАСХН на 1991-1996 г.г.

Цель работы. Изыскание рациональной конструкции и обоснование параметров винтового питателя, обеспечивающих его ис-

пользование в качестве эффективного средства механизации приемных устройств складов твердых незатаренных минеральных удобрений.

Объект исследования - механизированные технологии и технические средства складской переработки минеральных удобрений, винтовые питатели приемных устройств складов незатаренных минеральных удобрений.

Методы исследования. Физическое и математическое моделирование рабочего процесса транспортирования винтовым питателем в открытом желобе с использованием теории статики и динамики сыпучей среды. Вычислительные эксперименты с использованием ПЭШ и натурные опыты по схеме однофакторного эксперимента .

Научная новизна. Впервые выполнен теоретический анализ процесса транспортирования винтовым питателем в открытом желобе с учетом давления вышележащего сыпучего тела. Разработаны математическая модель процесса транспортирования и методы расчета производительности и энергоемкости винтового питателя. Достоверность методов расчета подтверждена экспериментальными данными в широком диапазоне параметров винтового питателя. Предложено конструктивное решение винтового питателя с использованием разгрузочной горки и пластинчатой решетки, обеспечивающее оптимальный режим транспортирования.

Практическая ценность. Разработанные методы расчета производительности и потребляемой мощности винтового питателя позволяют из широкого возможного диапазона определить его конструктивные параметры, близкие к оптимальным. Предложенная конструкция винтового питателя с разгрузочной горкой обеспечивает снижение энергоемкости процесса транспортирования на 20-50%. Разработанное компановочное решение приемного уст-

ройства с винтовыми питателями для прирельсовых складов минеральных удобрений является универсальным, имеет малое заглубление подрельсового приямка.

Реализация результатов работы. На базе выполненных исследований осуществлена разработка модернизированного приемного бункера Ш-3,Ш с винтовым питателем для механизированных приемных устройств прирельсовых складов минеральных удобрений. Серийное производство приемных бункеров освоено в ОКБ "Сельхозхиммаш" ВНШЙагрохима. За период 1987-1997 г.г. выпущено свыше ета приемных бункеров (приложение 7 ). Модернизированные приемные бункеры с винтовыми питателями внедрены на 25 прирельсовых складах Рязанской, Кировской, Владимирской, Нижегородской, Калужской областей, Чувашской республики РФ и республики Беларусь (приложения

8 - II). Два комплекта приемных устройств внедрены на зерносу-шильных комплексах в хозяйствах Рязанской области для приема зерна из автотранспорта.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях "Научно-технический прогресс в инженерно-технической сфере АПК России" (М., 1994, 1996 г.г.), на научно-практической конференции "Современные машинные технологии и технические средства переработки и внесения в почву минеральных удобрений" (Рязань, 1996 г.), на научно-практической конференции "Возрождение российского села" (Рязань, 1997 г.), на научно-практической конференции, посвященной памяти академика В.П.Горячкина (М., 1998 г.), на Ученом совете ВНШйагрохим (Рязань, 1998 г.) и секции Ученого совета ВМа (М., 1998 г.).

Публикации. По основному содержанию диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 авторских свидетельств и патентов на изобретение.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Характеристика ф из и к о -механических свойств твердых

минеральных удобрений и технологий их складской

переработки

Минеральные удобрения являются продуктами неорганического происхождения и изготавливаются химической или механической обработкой неорганического сырья. По виду действующего вещества они подразделяются на азотные, фосфорные, калийные и микроудобрения[ 51, 103]. По агрохимическому действию минеральные удобрения подразделяются на прямые и косвенные; прямые удобрения - на простые и комплексные. Важнейшим показателем качества удобрений является содержание в них полезных для растений действующих веществ (/V, и 1^0). Азотные удобрения подразделяются на 5 групп в зависимости от формы содержания азота; фосфорные удобрения - на водорастворимые и водонерастворимые (фосфоритная мука); комплексные в зависимости от характера их производства - на смешанные, сложно-смешанные и сложные удобрения.

Для выбора и расчета рациональных параметров технологий и средств механизации складской переработки удобрений важное значение имеют их физико-химические, механические и товарные свойства.

Гигроскопичность характеризует способность удобрения поглощать влагу из воздуха. Этот показатель существенным образом влияет на слеживаемость, сыпучесть, рассеиваемость и прочность гранул удобрений. Гигроскопичность оценивается гигроскопической точкой, соответствующей относительной влажности воздуха, при которой удобрение не поглощает и не теряет влагу. Для большинства удобрений гигроскопическая точка находится в пределах 45-75%.

Слеживаемость - свойство удобрений образовывать агломераты различной величины и прочности при определенных внешних условиях. Она характеризуется прочностью агломератов, полученных при определенных условиях испытаний. Слеживаемость зависит от большого числа взаимосвязанных факторов, в т.ч.: влажности, химического состава, размера и механической прочности частиц, давления в слое удобрения и продолжительности хранения. Для оценки степени слеживаемости удобрения введена условная градация из семи степеней, определяемых по величине усилия сопротивления разрушению слежавшегося образца удобрения. Из сложных удобрений наиболее слеживающиеся нитроаммофоска, нитрофос, нитрофоска, из простых - карбамид, аммиачная селитра, суперфосфат простой, хлорид калия, сильвинит, калийная соль.

Рассеиваемость - способность удобрения равномерно распределяться по поверхности почвы при внесении. Существующая шкала рассеиваемое ти удобрений в баллах: очень хорошая (8-12), удовлетворительная (6-7), плохая (2-3).

Средний размер частиц (гранулометрический состав) определяется процентным содержанием соответствующей фракции путем просеивания через сита с различными диаметрами отверстий. Гранулометрический состав удобрения определяется согласно ГОСТ 21560.1-82.

Прочность гранул характеризуется динамической прочностью, прочностью на истирание и статической прочностью. Динамическая прочность определяется числом разрушенных гранул после их сбрасывания на твердую поверхность; истирание - долей пыли, образующейся в результате взаимного трения гранул; статическая прочность - средним пределом прочности при одноосном сжатии. Наименее прочными являются аммиачная селитра (без добавок) и карбамид с малыми диаметрами гранул. Статическая прочность гранул удобрений определяется согласно ГОСТ 21560.2-82.

Насыпная плотность - масса единицы объёма груза, например, I м3.

Различают плотность груза свободно насыпанного и уплотненного. Отношение плотности динамически уплотненного груза к плотности свободно насыпанного груза называется коэффициентом уплотнения. Для большинства видов минеральных удобрений насыпная плотность составляет 0,8 4-1,3 т/м3.

Сыпучесть характеризуется зависимостью предельных касательных напряжений 2Г от нормального напряжения 6 в толще сыпучего груза. Эта зависимость строится по результатам испытаний на трибометре. Для идеально сыпучих грузов, к которым можно отнести большинство видов удобрений, зависимость Г=9?(6) пересекает ось ординат в нулевой точке. Для таких грузов начальное сопротивление сдвигу Т0-0. Угол* образованный линией Т-СР(6) с осью абсцисс, называется углом внутреннего трения У , а тангенс этого угла является коэффициентом внутреннего трения t(Jtf~f . Для идеально сыпучих грузов угол внутреннего трения принимается равным углу естественного откоса Коэффициент внутреннего трения зависит от плотности укладки частиц груза, гранулометрического состава и влажности. Свойства сыпучести характеризуют также коэффициентом бокового давления П§ , равным отношению бокового давления 65 к действующему :

бд .

Минимальное значение коэффициента бокового давления носит название коэффициента подвижности /V насыпного груза. Для идеально сыпучей среды

т^123у1Л (1.2)

Учитывая, что для большинства насыпных грузов, в том числе минеральных удобрений, коэффициент внутреннего трения = 0,4-1-1,2, приближенно коэффициент

ГП - 0,18/4[ 38, 72] .

Свойства сыпучести груза характеризуют также скоростью его истечения из отверстий и диаметром наибольшего сводообразуюшего отверстия. Для этой оценки определяют к