Содержание к диссертации
Введение
1 Текущее состояние способов и механизмов предупреждения и устранения сводообразований в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов . 17
1.1 Обзор существующих способов и механизмов для предупреждения и устранения сводов сыпучих материалов в бункерах и их классификация 17
1.1.1 Средства выгрузки сыпучих материалов из бункеров 18
1.1.2 Конструкторско-технологические способы предупреждения сводообразований в бункерах 18
1.1.3 Механические сводообрушающие устройства 21
1.1.4 Пневматические выпускные устройства 38
1.2 Текущее состояние научных исследований по хранению и выпуску сыпучих материалов, склонных к сводообразованию 42
1.2.1 Общие сведения о сыпучих материалах 42
1.2.2 Обзор научных исследований сыпучести материалов 46
1.2.3 Анализ исследований по истечению сыпучих материалов из емкостей 49
1.3 Выводы, формулирование цели и задач исследования 59
2 Аналитическое исследование динамического качества комплекса «бункер сыпучего материала сводообрушающий механизм» 62
2.1 Математическое описание динамического комплекса 62
2.2 Определение силы схватывания отдельных частиц и слоев СМ фиксированной массы в бункере для выбора минимально необходимой силы рабочего органа сводообрушающего механизма 76
2.3 Выводы 87
3 Аналитическое исследование условий образования и параметров сводов сыпучих материалов в бункере . 90
3.1 Определение формы и высоты стрелы свода в бункере 90
3.2 Расчет энергозатрат на разрушение сводов сыпучих материалов в бункере 95
3.3 Общие положения по расчету производительности выпуска сыпучих материалов из бункера 98
3.4 Расчет производительности подачи сыпучего материала шнековым механизмом сводообрушителя бункерного устройства во внебункерную емкость 103
3.5 Энергетическая модель процесса периодического выпуска дозированных масс СМ до полного опоржнения бункера ограниченного объема 106
3.6 Выводы 112
4 Исследование процесса выпуска сыпучих материалов из бункерных устройств с учетом сводообразования . 114
4.1 Программа экспериментальных исследований :.. 114
4.2 Конструкция и принцип работы экспериментальной установки по оценке эффективности исследуемого сводообрушающего механизма 115
4.3 Методика экспериментальных исследований 120
4.3.1 Методика оценки производительности и энергоемкости процесса выпуска сыпучего материала из бункера 121
4.3.2 Методика определения изменения плотности СМ по
глубине засыпки 123
4.3.3 Методика определения степени влияния угла наклона пластин днища бункера на оценочные показатели его работы 124
4.3.4 Методика определения времени сводообразования и равномерности выпуска 125
4.4 Характеристика СМ, используемых в экспериментальных исследованиях 127
4.5 Результаты и анализ экспериментальных исследований
4.5.1 Влияние ширины щелевого выпускного отверстия на производительность и энергоемкость БУ 129
4.5.2 Влияние скорости движения рабочего органа сводообрушающего механизма на производительность и энергоемкость бункера 130
4.5.3 Влияние количества рабочих органов сводообрушителя на производительность и энергоемкость БУ 132
4.5.4 Влияние глубины перемещения рабочего органа в полость бункера на его пропускную способность и энергоемкость 134
4.5.5 Результаты экспериментов по оценке влияния уплотнения СМ
в бункере в процессе хранения на его оценочные показатели.. 136
4.5.6 Оценка влияния угла наклона пластин днища БУ на производительность и энергоемкость 137
4.5.7 Результаты экспериментов по определению времени сводообразования 140
4.5.8 Определение зависимости массового расхода СМ от времени образования статически устойчивого свода 145
4.6 Выводы 148
5 Технико-экономическое обоснование эффективности технологий выпуска сыпучего материала из бункерных устройств и оценка технріческого уровня сводообруіпителеи различной физической природы 149
5.1 Энергетическая оценка технологии выпуска сыпучего материала из
бункерного устройства в емкости мобильных транспортных средств
с учетом последствий сводообразования 149
5.2 Методика оценки технического уровня переносных механических сводообрушителей с первичным и вторичным сводообрушающими
элементами 152
5.3 Технико-экономическое сопоставление пневматических и электромагнитных сводообрушителей в бункерных устройствах... 161
5.4 Оценка влияния пределов изменения конструктивно-режимных параметров бункерного устройства с механическим сводообрушителем на его пропускную способность методом многофакторного эксперимента 165
5.5 Усовершенствование и систематизация методов расчета технико-экономических показателей сводообрушающих, питающих и других механизмов перемещения сыпучих материалов в бункерных устройствах 170
5.6 Выводы 172
6 Совершенствование и разработка высокоэффективных конструкторско-технологических и эксплуатационных способов и механизмов предупреждения и устранения сводообразовании в бункерных устройств ах 182
6.1 Магнитожидкостные механизмы предупреждения и устранения сводообразований в бункерных устройствах 182
6.1.1 Общие сведения о магнитных жидкостях 182
6.1.2 Перспективные конструктивно-технологические схемы магнитожидкостных механизмов предупреждения и устранения сводообразований в бункерных устройствах 189
6.1.3 Классификационная схема магнитожидкостных механизмов предупреждения и устранения сводообразований в бункерных устройствах 199
6.2 Вибрационные механизмы предупреждения и устранения
сводообразований в бункерах хранения и выпуска сыпучих
материалов 199 6.2.1 Общие сведения об эффекте вибрационного перемещения и реализующих этот эффект вибродвигателях различного конструктивного исполнения 200
6.2.2 Обзор типовых и разработка перспективных способов и механизмов реализации вибрационного движения в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов 208
6.3 Перспективные конструкции механических сводообрушающих устройств в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов... 214
6.3.1 Ручные механические разрушители сводообразований сыпучих материалов в бункерных устройствах 221
6.3.2 Переносные механические сводообрушители сыпучих материалов в бункерных устройствах 224
6.4 Устранение сводообразований сыпучего материала перемещением части его объема в дополнительную раздаточную емкость бункера 234
6.5 Устранение сводообразований сыпучего материала перепрофилированием специально организованных участков бункера с минимальной площадью проходного сечения 238
6.6 Перспективные конструкции пневматических сводообрушающих устройств 244
6.7 Новые конструкции аэрирующих устройств устранения сводообразований сыпучих материалов в бункерах 249
6.8 Выводы 253
Заключение 255
Библиографический список
- Конструкторско-технологические способы предупреждения сводообразований в бункерах
- Определение силы схватывания отдельных частиц и слоев СМ фиксированной массы в бункере для выбора минимально необходимой силы рабочего органа сводообрушающего механизма
- Расчет производительности подачи сыпучего материала шнековым механизмом сводообрушителя бункерного устройства во внебункерную емкость
- Конструкция и принцип работы экспериментальной установки по оценке эффективности исследуемого сводообрушающего механизма
Введение к работе
Актуальность темы. Ежегодная переработка грузов в виде сыпучих материалов (СМ), временно хранящихся в бункерных устройствах различного назначения на промышленных предприятиях, в строительстве, в агропромышленном комплексе, в порошковой металлургии и в других отечественных отраслях, исчисляется 70…100 миллиардами тонн. Превалирующей причиной нарушения бесперебойного выпуска СМ из бункерных устройств в транспортировочные емкости мобильных транспортных средств является возникновение в бункерах сводов СМ, для устранения которых используется широкий спектр различных по физической природе сводообрушающих механизмов (механические, вибрационного действия, аэрирующие устройства и др.).
Из анализа текущего состояния и направлений совершенствования способов и механизмов предотвращения и устранения сводообразований СМ следует, что до настоящего времени:
- недостаточно полно с энергетической точки зрения исследованы и систематизированы закономерности динамики образования и разрушения сводов СМ в бункерах, что негативно сказывается на точности динамических расчетов и, соответственно, качестве проектирования сводообрушающих механизмов под заданные эксплуатационные требования;
- не разработана математическая модель динамического комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», позволяющая проведение количественной оценки влияния пределов изменения эксплуатационных параметров бункера и физико-механических свойств СМ на процесс и параметры сводообразования в бункере для рационального назначения величины усилия рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации потребных энергозатрат на устранение сводов СМ;
- отсутствуют иерархически выстроенные классификационные схемы способов предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерах и разнообразных по конструктивному исполнению сводообрушающих механизмов различной физической природы, сориентированных на повышение динамического качества сводообрушающих механизмов, снижение энергозатрат на их эксплуатацию и повышение функциональной надежности таких механизмов в реальном спектре механических и климатических нагрузок, воздействующих на бункерные устройства с СМ в эксплуатации.
Актуальность темы обусловлена ее нацеленностью на устранение вышеохарактеризованных недостатков в расчете динамики и оценке качества проектирования сводообрушающих механизмов бункерных устройств, а также ее
выполнением в рамках разделов «Энергосбережение», «Разработки по повышению эффективности терминально-складской деятельности» и «Транспортная техника и технологии с использованием новых технических решений» программы «Основные направления научных исследований СамГУПС на 2009-2013 гг.» и в соответствие с координационным планом федеральной «Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах (Постановление Правительства Российской Федерации № 262 ПРУ от 04.07.1998 г.).
Работа выполнена в проблемной НИЛ СамГУПС «Динамическая прочность и виброзащита транспортных систем» в рамках договоров № 1-06 на 2006-2010 гг. и № 20-10 на 2011-2015 гг. «О научно-техническом и педагогическом сотрудничестве федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс» (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК») и федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО СамГУПС)».
Цель работы - создание научных основ и инструментальных средств проектирования высокоэффективных механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерных устройствах и разработка практических рекомендаций по их использованию на базе научно обоснованного выбора величины силы рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации потребных энергозатрат на устранение сводов СМ фиксированной массы с конкретными геометрическими и динамическими параметрами.
Задачи исследования:
Проведение критического анализа результатов известных научных исследований по выявлению приоритетных направлений повышения динамического качества и функциональной надежности разнотипных по физической природе и конструктивно-технологическому исполнению способов и механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерах их хранения и выпуска в транспортировочные емкости мобильных транспортных средств (железнодорожный, автомобильный, речной и морской транспорт).
Разработка математической модели динамического комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», повышающей достоверность исследования физических процессов сводообразования СМ и точность расчета динамических параметров комплекса путем учета влияния параметров сводообразования СМ и сопутствующей последнему силы схватывания отдельных
частиц и слоев СМ фиксированной массы в бункере на энерговооруженность
сводообрушающего механизма.
Разработка научно и методически обоснованных расчетных соотношений и рекомендаций по количественной оценке влияния пределов изменения эксплуатационных параметров бункера и физико-механических свойств СМ на процесс и параметры сводообразования фиксированной массы СМ для рационального назначения величины усилия рабочего органа сводообрушающего органа из условия минимизации энергозатрат на устранение сводов СМ.
Проведение и сопоставление результатов натурного и вычислительного экспериментов по исследованию динамического качества и функциональной надежности динамического комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», созданного на базе разработанной математической модели такого рода комплексов, а также научно и методически обоснованных рекомендаций по расчету параметров сводообразований фиксированной массы СМ и потребных для их устранения энергозатрат.
Разработка принципов оценки эффективности конструкторско-технологических и технико-эксплуатационных характеристик сводообрушающих устройств с энергетической и эргономической точек зрения.
Систематизация сводных и детализированных классификационных схем и насыщение базиса способов и механизмов предупреждения и устранения сводообразований в бункерах хранения и выпуска СМ с учетом современных достижений науки и техники для создания высокоэффективных по функциональной надежности, патентоохранных технических решений в данной области.
Объект исследования - механизмы предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерах их хранения и выпуска, которые рассматриваются в составе комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», обладающего определенными динамическими свойствами.
Предмет исследования - процессы формирования и трансформирования механизмами предупреждения и устранения сводообразований СМ дополнительных компенсационных воздействий, которые определяют динамические свойства бункерных устройств и позволяют стабилизировать их выходные параметры при интенсификации неблагоприятных внешних воздействий на СМ, изменяющих его физико-механические свойства в процессе хранения и выпуска и приводящих к возникновению сводообразований СМ.
Методы исследования. Все исследования осуществлялись на основе принципов системного подхода. В теоретических исследованиях использовались методы параметрического и математического моделирования технических систем, численные методы решения задач и методы инженерной реологии. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с анализом и обработкой полученных математико-статистическими методами данных на современной измерительной аппаратуре и вычислительной технике.
Научная новизна:
Выявлены приоритетные направления повышения динамического качества и функциональной надежности механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерных устройствах на базе оценки известных реологических моделей СМ, используемых в качестве базисных в предложенной четырехпараметрической модели СМ, учитывающих влияние силы схватывания отдельных частиц и слоёв материала на процесс и параметры сводообразования в бункере с фиксированной массой СМ.
Разработана математическая модель динамического комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», повышающая достоверность исследования физических процессов сводообразования СМ и точность расчета динамических параметров комплекса путем учета влияния параметров сводообразования СМ фиксированной массы на энерговооруженность сводообрушающего механизма.
Разработаны научно и методически обоснованные рекомендации и расчётные соотношения по количественной оценке влияния пределов изменения эксплуатационных параметров бункера и свойств СМ на процесс сводообразования для назначения силы рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации энергозатрат на устранение сводов СМ.
В ходе натурного и вычислительного экспериментов по исследованию динамического качества комплекса «Бункер сыпучего материала – сводообрушающий механизм» получены новые результаты, учитывающие особенности процесса формирования сводов СМ в бункере, обуславливающие потребные энергозатраты на их устранение.
Предложены показатели оценки конструкторско-технологических и технико-эксплуатационных возможностей сводообрушающих устройств с энергетической и эргономической точек зрения, составляющие основу:
- энергетической модели выпуска СМ из бункера при периодическом заборе из него фиксированных по массе порций СМ с математическим обоснованием условий бесперебойного истечения и условий возникновения сводов СМ;
- методики расчёта энергоёмкости выпуска СМ из бункера в ёмкости мобильных транспортных средств с учётом остановок на технологические перерывы для устранения возникших сводообразований;
- методики оценки пропускной способности бункера в условиях многофакторного эксперимента на примере расчёта реального бункера с механическим сводообрушителем;
- методики оценки технического уровня разнотипных конструкций переносных механических сводообрушителей для рационального выбора конкретной конструкции под реальный бункер с заданными вместимостью и параметрами СМ на примере рычажно - «ёлочного» сводообрушителя.
Предложена классификационная схема способов и механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ, построенная на базе иерархического подхода с учетом оригинальных авторских технических решений.
На защиту выносятся:
Созданная на базе предложенной четырехпараметрической модели СМ математическая модель динамического комплекса «Бункер сыпучего материала - сводообрушающий механизм», функционально связывающая энерговооружённость сводообрушителя с силой схватывания отдельных частиц и слоёв в сводообразовании СМ фиксированной массы.
Научно и методически обоснованные рекомендации и расчетные соотношения по количественной оценке влияния пределов изменения эксплуатационных параметров бункера и свойств СМ на процесс и параметры сводообразования для назначения силы рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации энергозатрат на устранение сводов СМ.
Результаты натурного и вычислительного экспериментов по исследованию динамического качества комплекса «Бункер сыпучего материала – сводообрушающий механизм» с учетом особенностей процесса формирования сводов СМ в бункере, обуславливающих потребные энергозатраты на их устранение.
Систематизированные и дополненные показатели оценки конструкторско-технологических и технико-эксплуатационных возможностей сводообрушающих устройств с энергетической и эргономической точек зрения.
Сводная и детализированные классификационные схемы способов и механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ в бункерах, построенные на принципах иерархического подхода.
Разработанные технические способы и конструктивные решения высокоэффективных, патентозащищённых сводообрушающих механизмов различной физической природы для устранения сводообразований СМ в бункерах хранения и выпуска СМ.
Достоверность результатов обеспечивается: корректностью постановки задач исследований в соответствии с фактическими физико-механическими и химическими свойствами исследуемого класса СМ; сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных лично автором и другими исследователями; обоснованностью используемых теоретических выкладок, допущений и ограничений, находящихся в соответствии с общепринятыми критериями их оценки; применением общепринятых аналитических и численных методов анализа и расчета; применением современной измерительной аппаратуры и вычислительной техники.
Научную значимость работы составляют результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанные практические рекомендации по повышению динамического качества и функциональной надежности механизмов предупреждения и устранения сводообразований СМ фиксированной массы в бункерных устройствах, предопределяющие рациональный выбор величины усилия рабочего органа сводообрушающего механизма из условия минимизации энергозатрат на устранение сводов СМ с конкретными геометрическими и динамическими параметрами.
Практическую значимость работы составляют: результаты систематизации сводообрушителей различной физической природы и их конструктивные схемы, защищенные патентами России; информационное обеспечение, снижающее стоимость и сроки проектирования конструкций сводообрушающих устройств с улучшенными характеристиками; методы и методики для расчета энерговооруженности агрегатов подобного рода и их составных звеньев.
Результаты исследований использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по улучшению эксплуатационных характеристик и повышению функциональной надежности механизмов предотвращения и устранения сводообразований в бункерах хранения и выпуска СМ.
Теоретико-экспериментальные результаты работы используются в учебном процессе СамГУПС на кафедрах «Управление эксплуатационной, грузовой и коммерческой работой», «Железнодорожные станции и узлы».
Ряд представленных в работе запатентованных сводообрушающих комплексов и механизмов используется на Куйбышевской железной дороге – филиале ОАО «РЖД», в ОАО «Волжско-Уральская транспортная компания», ООО «Агролюкс» ОП «Самарский комбикормовый завод».
Основные материалы диссертации легли в основу личной и двух изданных при участии автора монографий для научных и инженерно-технических работников, предприятий транспортно-складского комплекса России, а также преподавателей, аспирантов и студентов технических специальностей.
Апробация результатов работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на межвузовской научно-практической конференции «Опыт взаимодействия ВУЗов и железных дорог в научно-техническом прогрессе и подготовке специалистов», г. Самара, СамИИТ, 1998 г.; научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов факультета механизации сельского хозяйства Самарской ГСХА, г. Кинель, 1999 г.; научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы, г. Саратов, СГАУим. Н.И. Вавилова, 1999 г.; 2-ой международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», г. Ростов-на-Дону, РГУПС, 2000 г.; 3-ей международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем», г. Самара, МАНЭБ, 2002 г.; региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте», г. Челябинск, ЮУЖД, 2004 г.; IV международной научной студенческой конференции «Trans – Mech – Art - Chem», г. Москва, МИИТ, 2006 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2006», г. Ростов-на-Дону, РГУПС, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», г. Екатеринбург, УрГУПС, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», г. Самара, СамГУПС, ОрелГТУ, 2007 г.; IV международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, СамГУПС, 2008 г.; Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти проф. Л.И. Кошкина «Перспективные инновации в науке и образовании», г. Самара, СамГПУ, 2008 г.; международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», г. Тула, ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2008 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, СамГУПС, 2009г.; международной научно-практической конференции «Наука и образование – транспорту», г. Самара, СамГУПС, 2009 г.; VI Всероссийской дистанционной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, СамГУПС, 2010 г.; II Международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту», г. Самара, СамГУПС, 2010г.; региональной научно-практической конференции «Образование, наука, транспорт в XXI веке: опыт, перспективы, инновации», г. Оренбург, ОрИПС, 2010г.; III Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 130-летию транспортного образования в Пензенской области «Наука и образование транспорту», г. Пенза, ПТЖТ– филиал СамГУПС, 2010 г.; международной научно-практической конференции, посвящённой 80-летию со дня рождения профессора Кобы В.Г., г. Саратов, СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 научных работ, из них 3 монографии (2 в соавторстве), 39 статей в научных журналах и сборниках, 24 статьи в трудах конференций, 8 патентов России на изобретения, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы из 236 наименований. Основной текст изложен на 287 страницах и содержит 116 рисунков, 11 таблиц.
Конструкторско-технологические способы предупреждения сводообразований в бункерах
Достаточно широко применяется конструкция бункера-разгрузчика, разработанная в Тамбовском филиале ВИЭСХа (рисунок 1.5, ф) [4, 40, 151]. Днище бункера представляет собой шарнирно соединенные между собой пластины, нижние края которых при помощи двуплечего рычага и тяг прикреплены к механическому регулятору ширины щели. Совершая возратно-поступательное движение, пластины изменяют угол своего наклона и, следовательно, объем выпускных воронок, что приводит к разуплотнению СМ, побуждая его к активному истечению.
Однако анализ технологического процесса работы данного устройства позволил выявить следующие недостатки [35]. Область применения бункера ограничена тем, что он способен работать только с хорошосыпучими грузами, так как при хранении и выпуске упруго-пластичных материалов возможно образование статических сводов, опирающихся на стенки бункера, на шарниры между пластинами соседних козырьков и на шарнирные соединения крайних пластин со стенками бункера.
При движении пластин своды разрушаются частично и только в пространстве между ними. Истечение материала носит прерывистый характер, вследствие чего возможно его уплотнение, а возникшие в процессе хранения комки слежавшегося груза пластинами не разрушаются, становясь очагами сводообразования.
Определенный интерес представляет конструктивная схема рычажного сводообрушителя, установленного на цепи скребкового бункерного питателя (рисунок 1.5, х). Изменяя траекторию движения на кривых участках, рабочий орган имеет возможность воздействия на СМ по всему сечению полости бункера [91].
Конструктивная схема, представленная на рисунке 1.5, ц, состоит из двухъярусной решетки, установленной горизонтально в полости бункера и соединенной с приводом [143, 168]. На нижнем ярусе решетки установлены рабочие органы в виде пальцев, количество которых соответствует числу щелей, а длина - ее глубине.
В данной конструкции авторам удалось устранить сводообразование в полости бункера и разрушить посредством пальцев решетки комки спекшегося материала, размер которых больше ширины щелей.
Однако, в связи с тем, что решетка находится в полости бункера, при работе с упруго-пластичными материалами происходит уплотнение последних у торцевых стенок, что значительно увеличивает тяговые усилия, а, следовательно, возникают дополнительные нагрузки на привод и решетку, обуславливая тем самым их частные поломки. Кроме того, значительно увеличиваются расходы на электроэнергию, и в случае поломки сводообрушителя невозможно устранить неисправности без полного опорожнения бункера.
Проанализировав технологический процесс работы представленной выше схемы, тот же коллектив авторов разработал бункерное устройство с механическим сводообрушителем, предназначенное для хранения и выпуска трудносыпучих материалов (рисунок 1.5, ч) [39,40,41,42,43,169,211, 212].
Существенным отличием от предыдущей схемы является то, что решетка с плоскими двурогими пальцами размещена вне бункера под днищем, с возможностью дополнительного вертикального перемещения, значительно снижая тем самым пусковой момент на приводе и позволяя устранить своды по всей полости бункера. В торцевых стенках бункера напротив щелей в днище выполнены вырезы по числу щелей, которые снабжены вертикальными шторками, синхронно связанными с приводом вертикального перемещения решетки, что позволяет в случае их поломки произвести ремонт без опорожнения бункера. Кроме того, удалось решить проблему энергосбережения за счет селективного включения сводообрушителя, оптимально сочетая гравитационное истечение с принудительным выпуском.
К недостаткам данного технического решения можно отнести сложность конструкции из-за наличия трех независимых приводов: раздвижения пластин, вертикального и горизонтального перемещения решетки. Также из механики грунтов известно, что устранять своды проще всего у их основания, а в предложенной конструкции они разрушаются в верхней части, что требует более продолжительного включения привода горизонтального перемещения решетки а, следовательно, дополнительных затрат электроэнергии.
Сводообрушающее устройство в виде решетки с составными пальцами, соединенными пространственными шарнирами, представлено на рисунке 1.5, ш. Оно позволяет устранить своды сыпучего материала в зоне стенки донной части бункера за счет перемещения решетки с пальцами, введенными через отверстия в полость бункера [172].
Устройство для устранения сводов СМ (рисунок 1.5, щ), размещенное в цилиндрическом бункере, представляет собой набор жестко соединенных между собой лопаток, закрепленных на вершине конуса и имеющих возможность вращения по его образующей. Под дном бункера размещен вращающийся в горизонтальной плоскости диск с прикрепленными на нем чистиками [170].
Конструкция бункерного устройства с вертикальным сместителем-сводоразрушителем представлена на рисунке 1.5, э. Его преимущество состоит в том, что за счет селективного поярусного включения сводообрушителей по всей полости бункера снижается энергоемкость их перемещений, а возможность изменять форму рабочих органов позволяет регулировать интенсивность воздействия на сыпучий материал. Также следует отметить, что с включением каждого рабочего органа расширяется вертикальный истекающий столб сыпучей массы, при этом материал в бункере перемещается, исключая тем самым сегрегацию многокомпонентных смесей, например, комбикорма [49, 50, 186].
Определение силы схватывания отдельных частиц и слоев СМ фиксированной массы в бункере для выбора минимально необходимой силы рабочего органа сводообрушающего механизма
При выводе уравнения движения динамического комплекса для упрощения его решения использован классический способ решения такого рода систем с одной степенью свободы путем исследования динамики звена приведения (рисунок 2.2) , за которое принята ведущая звездочка 8 зубчатой цепи 10, испытывающей противонаправленные силы от крутящего момента м р редуктора 4 и от силы схватывания Fw. в сводообразований /-го слоя СМ Рисунок
Общий вид (а) и расчётно-конструктивная схема (б) динамического комплекса «Бункер сыпучих материалов - сводообрушающий механизм» (патент России №2145303) электродвигатель постоянного тока; 2 - выходной вал электродвигателя; 3 жесткая соединительная муфта; 4 - редуктор; 5 - ведущий вал редуктора; б - ведомый вал; 7 - подшипник качения; 8, 9 - ведущая и ведомая звездочки, соответственно; 10 - зубчатая цепь; 11 -сводообрушающий орган; 12-бункер; 13 щелевое выпускное отверстие; 14 - пластина днища; Мд, Мр - крутящий момент электродвигателя и редуктора, соответственно; ded, dep, - диаметр выходного вала электродвигателя и редуктора, соответственно; d3e, d 3e- диаметр ведущей и ведомой звездочек, соответственно; Z3e, Z 3e- число зубьев ведущей и ведомой звездочек; Z3e= Le - расстояние между центрами звездочек 8 и 9 и осями валов 5 и б; L\, L2, L3, L4, L5, Ьб, Lj - конструктивные размеры валов, подшипников и сводообрушающего органа; h фактическая величина вхождения рабочего органа 11 в полость бункера 12; Нр толщина рабочего органа; Z& На Д?- длина, ширина и высота бункера (В/, В2, ..., Bt высота слоев СМ, соответствующая числу выпусков і СМ из бункера); Ьщ, Нщ - длина и ширина щелевого выпускного отверстия, соответственно; Нт, ат - ширина пластины днища 14 и угол ее наклона, соответственно; хц - направление перемещения сводообрушающего органа (слои Вх, В2, ..., В,, где / в общем случае соответствует числу выпусков из полностью загруженного бункера равномассных порций СМ до полного опорожнения бункера, - см. рисунок 2.1) [207, 233].
Конструктивно-расчетная схема динамического комплекса на базе звена приведения 1,3- соответственно, ведущая и ведомая звездочки, каждая массой тх и радиусом гх (GX G3);2, 4 - соответственно, ведущий и ведомый валы, каждый массой т2 и радиусом r2 (G2,G4), 5 - сводообрушающий орган массой т5 (G5); 6 зубчатая цепь массой т6 (G6), х,ї -соответственно, перемещение и скорость органа 5 при возвратно - поступательном движении; L - полный рабочий ход органа 5, равный длине выпускного отверстая бункера Х (см. рисунок 2.1); а - участки цешт 6, вынесенные из зоны бункера с CM; F = f{Fm ) - сила противодействия движению органа 5 со стороны сводообразования СМ, формируемого силой схватывания Fw отдельных частиц и слоев в фиксированных массах сыпучего материала с высотой слоев В1г В2, ..., Bt (см. рисунок 2.1); АВ, ВС, СД - соответственно, участки разгона, равномерного движения и торможения сводообрушающего органа 5 при полном цикле работы сводообрушающего механизма, - от момента пуска до момента останова
Выбор протяженности участков АВ, ВС и СД рабочего хода сводообрушающего органа 5 на рисунке 2.2 согласован с временем их прохождения тм, гяс, Тед на циклограмме работы электродвигателя постоянного тока, совмещенной с его механической характеристикой в двухкоординатном отображении по оси X (рисунок 2.3) [107, 133].
Также очевидно, что плотность и, как следствие, твердость СМ в бункере при прохождении рабочим органом 11 (см. рисунок 2.1) хода ВС= ьщ (см. рисунок 2.2) различны, что предопределяет количественное изменение силы F на определенном ходе ВС (прямом или обратном) для процесса сводоразрушения СМ (см. рисунок 2.4).
Очевидно, что распределение твердости (флуктуации) СМ в зоне сводообразования на участке ВС (ьщ) носит случайный характер и, следовательно, сила сводообрушения F также носит случайный характер, который можно установить лишь на базе многочисленных экспериментальных данных для конкретных бункеров и типов СМ.
При математическом описании динамики исследуемого комплекса (см. рисунок 2.1) можно не учитывать динамический процесс флуктуации подвижных звеньев редуктора 4, цепи 10, звездочек 8 и 9, валов 5 и 6. Это обусловлено тем, что колебания, создаваемые указанными элементами, эффективно и в полной мере гасятся на участке ВС, где рабочий орган 11 (см. рисунок 2.1) находится в контакте с сыпучей средой в полости бункера 12, являющейся по своей физической сути мощнейшим F[H] дА в С dx "х/ Рисунок 2.4 - Характерный вид распределения силы сводообрушения на участке ВС в бункере (дА - элементарная работа, совершаемая сводообрушающим органом при перемещении на малую величину dx) демпфером сухого трения. При непостоянстве параметров F(x) и N(x) в расчеты довольно часто вводят среднюю мощность N за конечный промежуток времени, в данном случае твс, в течение которого сила F(x) совершает работу Авс:
При этом следует отметить, что неизвестность закона случайного распределения F(x) не позволяет воспользоваться методами статистической механики, причем принятие наиболее употребительных законов распределения случайных величин (Гаусса, Релея и др.) не обеспечивает стопроцентной точности расчетов, так же как и применение в них среднего значения Ncp из (2.2). Также нецелесообразно управление мощностью, развиваемой электродвигателем в процессе обрушения свода, по причинам производственного и экономического характера. В исследуемом комплексе с одной степенью свободы в качестве обобщенных координат и скорости принят угол поворота ср и угловая скорость ф ведущей звездочки
Расчет производительности подачи сыпучего материала шнековым механизмом сводообрушителя бункерного устройства во внебункерную емкость
Впервые в практике отечественного агрегатостроения предлагается энергетическая модель динамической системы «бункерное устройство -сыпучий материал - транспортировочная емкость», математически описывающая процесс истечения сыпучего материала с учетом возможности возникновения в нем сводообразования [63, 65].
При математическом описании процессов истечения сыпучего материала из бункерного устройства с момента перекрытия выпускного отверстия до момента его открытия для выдачи СМ в транспортировочную емкость (рисунок 3.6) предлагается использование энергетической модели истечения СМ из бункерного устройства на базе уравнений Лагранжа второго рода, для составления которых необходимо знание кинетической и потенциальной энергии СМ в бункерном устройстве и величины воздействующей на него обобщенной силы: где х и х - соответственно, координата (перемещение) и скорость СМ; Ек, Еп - соответственно, кинетическая и потенциальная энергия СМ заданных объема и массы; Pt - обобщенная сила, обеспечивающая истечение СМ из бункера с учетом гравитационной и противодействующих перемещению СМ динамических сил. бункерное устройство с площадью S выпускного отверстия; 2 - сыпучий материал с приведенной массой М и перемещением х; 3 - заслонка для перекрытия (положение I) и открытия (положение П) выпускного отверстия бункерного устройства; 4 - поддон транспортировочной емкости для сыпучего материала, опущенный на высоту h относительно бункерного устройства
Охарактеризуем принципы построения математической модели истечения СМ из бункерного устройства в предположении, что силы трения, демпфирования и схватывания собственно в СМ, так и при его взаимодействии со стенками бункера отсутствуют. Из физической сути уравнения (3.45) следует, что сумма текущих значений кинетической Е и потенциальной Eni энергий в предположении малости энергии диссипации Еді есть величина постоянная. Поэтому имеем: где Xi - конкретные перемещения СМ в сторону транспортировочной емкости 4 при каждом последующем выпуске СМ через площадь S выпускного отверстия бункера, обуславливающие уменьшение массы СМ в емкости бункера на величину М{, і - количество выпусков СМ из бункерного устройства при периодическом открытии и закрытии заслонки 3; g-ускорение свободного падения.
Также очевидно, что в начальный момент времени г0 до начала первой выдачи СМ из бункера имеем: где xt - скорость перемещения СМ в выпускном отверстии бункера при /-ом выпуске СМ в транспортировочную емкость, [м/с]. На базе (3.46) с учетом (3.47) и (3.49), приравняв текущие значения потенциальной Ещ и кинетической Ею энергий, получим:
Идеализированные уравнения (3.49) и (3.51) при фактическом значении Ед 0 (см. ранее принятое допущение (3.46), что Ед -»о) трансформируются соответственно в следующие формы: Здесь AE =/(ED) - предлагаемый автором коэффициент диссипации, обуславливающий изменение скорости перемещения выпускаемого из БУ сыпучего материала при росте энергии ED, определяемой совокупностью противодействующих сил, характеризуемых коэффициентами трения f, демпфирования d и схватывания w. расходов Qi на времена т,, в течение которых производился последовательный выпуск СМ из бункерного устройства:
Как отмечалось ранее, решение дифференциального уравнения (3.56) осуществляется методами численного интегрирования с использованием хорошо отработанного математического аппарата [223]. Эмпирические соотношения для выражения параметра (?,. через геометрические параметры бункерного устройства с учетом физико-механических свойств СМ широко освещены в отечественной литературе [100]. При интенсификации и комбинировании климатических и механических воздействий на СМ в бункерном устройстве возможно резкое изменение значения поправочного коэффициента АЕв, что приведет к превышению значения множителя —xf-AEo над множителем g-\h- xl, ] в уравнении (3.53), в силу чего оно трансформируется в неравенство: Иными словами, изменение значения коэффициента диссипации АЕв способно привести к резкому снижению скорости xt сыпучего материала, вплоть до возникновения сводообразования и прекращения выдачи СМ в транспортировочную емкость.
Полагаем, что при максимуме массы СМ в бункере (до выпуска первой дозированной дозы), т.е. при М = M, коэффициент АЕ имеет минимальное значение (0...0Д5), а в дальнейшем по мере уменьшения массы СМ при первом и последующем выпуске он увеличивается до максимума (0,15...1,0). С учетом данного положения из (3.56) следует, что при АЕ = О скорость х{ истечения СМ из БУ будет максимальна, а при росте АЕ сверх нулевого значения скорость х, будет снижаться и в случае АЕ 0,5...1 скорость xt снижается и стремится к критическому значению, а при АЕ -1 скорость х,. принимает нулевое значение и истечение СМ из БУ прекращается вследствие образования статического свода.
Конструкция и принцип работы экспериментальной установки по оценке эффективности исследуемого сводообрушающего механизма
Магнитные жидкости были синтезированы в середине 60-х годов прошлого века одновременно в США и СССР, и их изобретение связано с , выполнением космических программ. Первопроходцем и мировым лидером в разработках и использовании магнитожидкостных технологий является американская корпорация «Ferrofluidics Corporation», успех деятельности которой во многом определен научными работами Р.Е. Розенберга и его учеников. По своей сути они относятся к нанотехнологиям - новому направлению науки и техники, активно развивающемуся в последнее десятилетие как за рубежом, так и в нашей стране.
Российскими лидерами в области создания магнитожидкостных устройств являются Институт прикладной механики МГУ (ИПМ МГУ), Ивановский энергетический университет и связанное с ним Специализированное конструкторско-технологическое бюро «Полюс».
Также магнитные жидкости разрабатываются, изготовляются и используются в большинстве развитых стран: Германии, Франции, Великобритании, Японии, Израиле, Нидерландах.
Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированных в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) среде с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами [142,218].
По внешнему виду магнитная жидкость представляет собой однородную жидкость черного или темно-коричневого цвета. Если поднести к ней магнит, то она потянется за ним и из жидкости превратится в твердое тело. Если же магнит поднести снизу, то магнитная жидкость превратится в своеобразного «ежика». А если при этом положить в нее немагнитное тело, то оно всплывет.
Применение магнитной жидкости основано именно на ее свойстве притягиваться к магниту и становиться твердым телом в присутствии магнитного поля. Силы молекулярного притяжения между частицами МЖ могут привести к их слипанию, укрупнению и последующему выпадению в осадок. Для исключения этого явления в состав магнитной жидкости вводят ПАВ, адсорбирующие на поверхностях частиц с образованием двойных ионных слоев.
В качестве несущих жидкостей используют керосин, воду, эфиры, фторуглероды, диэфир, трансформаторное масло, углеводороды, кремний, органические жидкости и др.; в качестве ПАВ - спирты, жирные кислоты, олеиновую и линолевую кислоты и алкилбензосульфокислоты; в качестве магнитного материала - железо, кобальт и их окислы.
Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью - в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Секрет высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость внедряется огромное количество мелких сферических частиц (с размером порядка 10 нанометров), которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждая такая частица покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому в отличие от обычных суспензий частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно и подолгу могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет. Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц, что приводит к изменению магнитных, оптических и реологических свойств раствора. Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять поведением магнитных жидкостей и использовать это в прикладных задачах.
Разновидностью магнитных являются ферромагнитные жидкости, состоящие из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Так же как в МЖ для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные наночастицы связываются с поверхностно-активным веществом, образующим защитную оболочку вокруг частицы и препятствующим их слипанию (из-за Ван-дер-Вальсовых или магнитных сил). Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетическими и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости.
Физические свойства МЖ во многом определяются взаимодействием частиц и происходящими в результате этого (а также при взаимодействии с внешними полями) структурными превращениями в таких средах (см. таблицу 6.1).
В настоящее время некоторые свойства магнитных жидкостей считаются хорошо изученными (магнитные, реологические, оптические и др.). Вместе с тем исследование особенностей взаимодействия МЖ с электрическим и совместно действующими электрическим и магнитным полями, связанной с этим взаимодействием структурной организации коллоидных частиц, требует дальнейшего развития. В реальных условиях, при применении магнитных жидкостей в технике, их структурное состояние, обусловленное действием магнитного и электрического полей, может претерпеть существенные изменения за счет действия сдвиговых деформаций и течений. Эти процессы необходимо учитывать как для прогнозирования работоспособности уже известных устройств, так и при проектировании новых.
