Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Обзор и анализ работ по распределению сил, возникающих в бункерах 8
1.2 Обзор и краткий анализ работ по истечению сыпучих материалов, в том числе в условиях сводообразования 14
1.3 Современная классификация применяемых зерновых бункеров в сельском хозяйстве 27
1.4 Классификация и анализ сводоразрушающих устройств 27
1.5 Цель и задачи исследования 36
2 Теоретические исследования истечения зернового материала из бункеров с боковым выпускным отверстием в условиях сводообразования 37
2.1 Обоснование положений модели зернового материала 37
2.1.1 Вероятностно-статистическая модель сыпучей среды 44
2.2 Статистическое описание работы бункеров в различных производственных условиях. Применение уравнения Колмогорова для описания процессов формирования и разрушения сводов в бункерах с боковым выпуском 46
2.3 Определение предельных размеров сводообразующего сечения в зерновом бункере с боковым выпускным отверстием 48
2.4 Определение области сводов в зерновом бункере с боковым выпускным отверстием и максимально возможного числа сводов при установившемся режиме истечения . 63
2.5 Анализ системы уравнений Колмогорова, определяющей формирование и разрушение динамических сводов при установившемся режиме 67
Выводы по главе 79
3 Выбор методик проведения экспериментальных исследований 82
3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 82
3.2 Оборудование для проведения экспериментальных исследований 83
3.3 Используемые методики экспериментальных исследований 89
3.3.1 Определение условного диаметра частицы зернового материала 89
3.3.2 Определение влажности зерновых материалов 89
3.3.3 Определение засоренности сыпучего материала 89
3.3.4 Определение действующей силы со стороны свода, частоты образования и разрушения сводов 90
3.3.5 Определение высоты выпускного отверстия, при которой наблюдается образование сводов 97
Выводы по главе 99
4 Результаты экспериментальных исследований 100
4.1 Выявление физико-механических свойств используемых сыпучих материалов, влияющих на процесс истечения 100
4.2 Влияние высоты выпускного отверстия на процесс образования и разрушения сводов 103
4.3 Результаты определения времени (длительности) образования и разрушения сводов 104
4.4 Методика расчета сводоразрушающих устройств для бункеров с вертикальными стенками, наклонным дном и боковым отверстием 112
4.5 Апробация бункера с боковым выпускным отверстием со
сводоразрушающим устройством 117
Выводы по главе 121
5 Оценка экономической эффективности результатов исследования 122
Заключение 127
Список литературы
- Современная классификация применяемых зерновых бункеров в сельском хозяйстве
- Определение области сводов в зерновом бункере с боковым выпускным отверстием и максимально возможного числа сводов при установившемся режиме истечения
- Определение условного диаметра частицы зернового материала
- Результаты определения времени (длительности) образования и разрушения сводов
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из главных векторов развития сельскохозяйственного рынка и агропромышленного комплекса является курс «импорто-замещения», подразумевающий максимально возможный отказ от зарубежной продукции, которую целесообразно производить в отечественных условиях. Повышение производительности в сельскохозяйственном секторе не возможно без модернизации существующего оборудования. Бункерные установки широко применяются в процессах, связанных с хранением, транспортировкой и переработкой сыпучих материалов. Несмотря на простоту конструкции, бункерные установки обладают существенным недостатком, приводящим к резкому снижению производительности с/х оборудования. Это связано с тем, что сыпучие материалы при движении в бункерах склонны к образованию сводчатых структур, приводящих к перебоям в истечении или к его полному прекращению.
В производственных линиях включающих дозаторы, экструдеры, грану-ляторы и сепараторы зачастую необходимы малые подачи зернового материала различной влажности в рабочую область. Для снижения подачи уменьшают размер выпускного отверстия бункера, что в свою очередь приводит к интенсивному сводообразованию и перебоям в истечении зернового материала.
Общий простой оборудования, в результате сводообразования, достигает 20 .. 30% валовых затрат на обслуживание бункерных устройств. Потери от простоев технологических линий и производственных комплексов достигают десятки и сотни тысяч рублей.
Для обеспечения устойчивой подачи зернового материала используют дополнительное оборудование: шнеки, вибраторы, валики и т.д., однако каждый из этих средств имеет свои явные недостатки. Их эффективность при работе с влажным зерновым материалом недостаточна. Поэтому создание сводораз-рушающего устройства для бункера, обеспечивающего устойчивое истечение сыпучих материалов различной влажности с допустимой по агротребованиям травмируемостью зерна, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Значительный вклад в исследование вопроса выгрузки сыпучих материалов внесли отечественные и зарубежные ученые: Л.B. Гячев, В.А. Надеждин, В.А. Богомягких, Н.М. Беспамятнова, Р.Л. Зенков, В.С. Кунаков, А.С. Ахматов, А.И. Пахайло, М.А. Лебедев, Г.А. Гениев, Р.В. Кирия, М. Фрид и др. Были проанализированы результаты исследований, методы и средства интенсификации истечения зерновых материалов из бункеров в условиях сводообразования. Результаты анализа показали, что для решения данной проблемы используют шнеки, механические побудители, питающие валики, что приводит к травмируемости зерна и повышенным энергозатратам, в том числе эффективность работы с зерном различной влажности недостаточна, равно как и, нет единого взгляда на влияние основных сводообра-зующих факторов на истечение зерна. Выявлено, что на данный момент не существует единой методики расчета параметров и режимов работы сводоразру-шающих устройств для зерновых бункеров с боковым выпускным отверстием, работающих с зерном различной влажности.
4 Цель исследования: интенсификация процесса выгрузки зернового материала различной влажности из бункеров с боковым выпускным отверстием в условиях сводообразования за счёт обоснования параметров и режимов работы сводоразрушающего устройства.
Задачи исследования:
выявить основные сводообразующие и сводоразрушающие факторы и определить их влияние на процесс истечения зерна из бункеров с боковым выпускным отверстием;
обосновать вероятностно-статистическую модель зернового материала, максимально полно отражающую его состояние и движение в реальных условиях функционирования бункерных установок;
на основе выявленных закономерностей, разработать методику расчета параметров и режимов работы сводоразрушающих устройств, обеспечивающих равномерную, установившуюся выгрузку зернового материала различной влажности;
определить экономическую эффективность от использования сводораз-рушающих устройств для зерновых бункеров с боковым выпускным отверстием.
Объект исследования: процесс истечения влажного зернового материала из бункеров с боковым выпускным отверстием.
Предмет исследования: зависимости процесса истечения зернового материала различной влажности из бункеров с боковым выпускным отверстием сельскохозяйственного назначения.
Методология и методы исследования: методологической основой теоретических исследований являются положения классической механики, механики сыпучих материалов и вероятностно-статистические законы. Натурный эксперимент проводился на специально созданных установках с применением современного измерительного оборудования. Результаты исследований обрабатывались с использованием программ: MathCad, Statistica, Statgraphics, а также специально созданной «Анализатор сводов в зерновом бункере».
Рабочая гипотеза: интенсификация процесса выгрузки влажного зернового материала из бункера с боковым выпускным отверстием возможна при использовании сводоразрушающего устройства, работающего с частотой разрушения сводов.
Научная новизна:
разработана вероятностно-статистическая модель, описывающая истечение зернового материала различной влажности из бункеров с боковым выпускным отверстием;
установлена зависимость максимально возможного числа сводов в бункере от его параметров и свойств сыпучего материала;
определено соотношение частот формирования и разрушения сводов для установившегося режима истечения зернового материала различной влажности из бункеров с боковым выпускным отверстием.
Практическая значимость и реализация: на основе теоретических и экспериментальных исследований предложена конструкция сводоразрушающе-го устройства, методика расчёта параметров и режимов его работы для бунке-
5 ров с боковым выпускным отверстием, обеспечивающих устойчивое и бесперебойное истечение влажных зерновых материалов. Результаты научных исследований переданы для внедрения в ОАО «КХП «Тихорецкий».
Основные положения, выносимые на защиту:
вероятностно-статистическая модель, описывающая образование и разрушение сводов в зерновом материале при истечении из бункера с боковым выпускным отверстием в установившемся режиме истечения;
применение системы уравнений Колмогорова и её решения для установившегося режима истечения сыпучего материала из бункера с боковым выпускным отверстием;
зависимость, описывающая максимально возможное количество сводов в бункере с боковым выпускным отверстием;
соотношение частот формирования и разрушения сводов, определяющее установившийся режим истечения;
- методика расчета параметров и режимов работы сводоразрушающих
устройств для зерновых бункеров с боковым выпускным отверстием;
- экономическое обоснование использования предложенных технических
решений.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений подтверждена результатами лабораторных исследований, проведённых с использованием современной измерительной аппаратуры, обеспечивающей приемлемую точность измерений. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием компьютерных программ. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях: профессорско-преподавательского состава в Донском государственном техническом университете (г. Ростов-на-Дону, 2013-2016г.), «Инновационные разработки для АПК» (г. Зерноград, 2013г), «Состояние и перспективы развития с/х машиностроения» (г. Ростов-на-Дону, 2013-2016г.).
Публикация результатов. По материалам исследований опубликованы 18 работ, в их числе 4 в научных журналах из перечня рекомендованных ВАК РФ, получены 3 патента РФ на полезные модели: сводоразрушающего устройства для бункеров (№ RU 166543) и бункеров для сыпучих материалов (№ RU 141943, № RU 155878); получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ «Анализатор сводов в зерновом бункере» (№ 2016615202 от 18.05.2016 г).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 165 наименований, в том числе 36 иностранных источников. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 74 иллюстрации, 13 таблиц и 8 приложений на 50 страницах.
Современная классификация применяемых зерновых бункеров в сельском хозяйстве
В работе 1960-го года «Давление идеального сыпучего тела» П.Н. Платонов [37] выявил коэффициент относительной плотности к (для с/х культур он находится в диапазоне 0,5244 - 0,742), определяемый отношением объемной массы сыпучего тела к его удельному весу. Было определено, что коэффициент плотности сыпучего тела меняется с изменением высоты засыпки по следующей зависимости: max у J где а,Ь,С- размеры частицы сыпучего материала: длина, ширина, толщина, м; Н - высота столба засыпанного сыпучего материала, м; кmax - коэффициент, характеризующий максимально возможное число контактов между частицами сыпучего материала. Таким образом, введя коэффициент относительной плотности для сыпучего материала, П.Н. Платонов предпринял попытку определить тип укладки сыпучего материала, исходя из плотности и пористости сыпучего материала.
В тоже время зарубежные ученые A.W. Jenike [38-41], D.M. Walker [42-43], J.K. Walters [44-45] делают публикации в которых, определяя давление на стенки силоса, выдвигают идеи возникновений напряжений в форме воронки. Их теоретические подходы основаны на методиках рассмотрения сыпучего материала в форме бесконечного количества тонких слоев малой толщины в вертикальном разрезе бункера. Теория, разработанная A.W. Jenike, описывает напряжения в бункере, образуемые во время истечения зернового материала с помощью дифференциальных уравнений, которые он решает характеристическим методом. Решение его уравнений позволяет определить массовый расход, конструкцию бункера, величину наклона боковых стенок и минимальный размер выпускного отверстия на выходе, обеспечивающего полное опорожнение осесимметричного бункера. Для большего удобства результаты расчетов по своему методу A.W. Jenike приводит в виде диаграмм. Также стоит отметить, что A.W. Jenike в своей работе 1964 года впервые описал разработанное им устройство для определения угла внутреннего трения, угла внешнего трения, угла насыпной плотности, описал функцию потока и скорости, определил структуру потока в воронке и другие параметры необходимые для проектирования вертикальных силосов. К недостаткам работы A.W. Jenike можно отнести значительное расхождение его теоретической модели с экспериментальными результатами – это, прежде всего, связано с тем, что сыпучий материал рассматривается послойно, а не как дискретная среда, что в свою очередь не в полной мере учитывает физико-механические свойства сыпучего материала.
Одновременно с развитием механики зерновых сыпучих материалов в сельском хозяйстве происходит становление теорий сыпучих материалов, ориентированных на горные породы. Рассмотрение данного вопроса с точки зрения сводообразования занимались: В.А. Слесарёв [46], П.Н. Цимбаревич [47], Г.Н. Покровский [48] и др.
В 1968 году в своей монографии Л.В. Гячев [49], рассматривая сыпучее тело, как совокупность абсолютно твердых шаровых зерен, обладающих внутренним и внешним сухим трением, определяет связь между горизонтальным и вертикальным давлением сыпучего материала на стенки бункера. Однако полученные зависимости не в полной мере соответствовали экспериментальным исследованиям. В 1973 году вышла монография В.А. Богомягких [50], в которой автор начинает развивать теорию движения зерновых материалов в бункерах в условиях сводообразования.
К последующим зарубежным работам можно отнести следующие работы: R. Kvapil [51], в которой автор делает попытки рассмотреть возможность вращения частиц вокруг своей оси при движении; Moral [52]; отца и сына Gaylord [53], где предпринимаются попытки рассмотреть бункер, как совокупность зон со своим действующем давлением в каждой; U. Motzkus [54], где автор признал предположения D.M. Walker и J.K. Walters как невозможными, и представил свои дополнения; работу G.G. Enstad [55] и E.J. Benink, [56] для определения распределения давлений, где использовался метод дисковых элементов, за которые принимался сыпучий материал (данный метод оказался проще в решении, чем характеристический метод предложенный A. W. Jenike, но имел те же недостатки).
В зарубежных работах [57, 58] для анализа давлений в бункерах предлагается использовать метод конечных элементов (МКЭ). В данных работах сыпучий материал рассматривается дискретно, где каждая частица имеет свою модель движения и взаимодействует с другими частицами.
В 1980 году выходит публикация В.Н. Михайличенко [59], в которой автор аналитически определяет соотношение нормального, к стенке силоса давления, и осевого. В дальнейших работах [60-61] продолжается исследование вопросов определения давлений сыпучего материала на стенки бункера. Так в работе [62] автор, рассматривая сферические частицы с пирамидальной укладкой, определяет значение вертикальных и горизонтальных давлений, введя поправочные коэффициенты в формулу H.А. Jansen. Недостатком данной работы является: неясность о сжимаемости сыпучего материала; введение коэффициента сопротивления; не учет важных физико-механических свойств сыпучего материала. В связи с чем, использование данной зависимости ограничено.
Делая выводы, можно отметить, что основополагающей теорией в области определения распределений давлений в силосе, нашедшей отражение во многих работах и получившей дальнейшее развитие, была теория H.А. Jansen. Теория дополнялась и трансформировалась под конкретные случаи, вводом экспериментально полученных коэффициентов, что в свою очередь может описывать только частные случаи распределения давлений в бункере. Основная часть работ направлена на изучение осесимметричных бункеров, это связано с простотой и симметричностью распределения давлений в подобных бункерах. Несимметричные бункеры, в том числе с боковыми выпускными отверстиями, практически не рассматривались. В большинстве работ по определению давлений также не рассматриваются многие вопросы статики зерновых материалов: вопросы слеживаемости зерна, влияния внутреннего трения, засоренности, вопросы влажности, динамического образования и разрушения сводов и пр.
Определение области сводов в зерновом бункере с боковым выпускным отверстием и максимально возможного числа сводов при установившемся режиме истечения
Для принятой вероятностно-статистической модели сыпучей среды, полагая, что формирование и разрушение представляют собой дискретные состояния, протекающие в непрерывное время можно составить систему уравнений Колмогорова для вероятности состояний. Предположим, что процессы, протекающие в сыпучей среде, являются марковскими, а потоки событий, переводящие среду от одного числа сводов к другому -пуассоновские.
Предположим, что в зерновом материале в момент времени t имеется вероятность Pt(t), что в нем сформировано і число сводов. Обозначим такое состояние через Xt, (где і - имеет одно из значений / = 1, 2, 3 .. N). Определим вероятность того, что в промежутке времени от г до t + A t , число сводов не изменится. Такое возможно в двух случаях: — в момент времени t сыпучая среда имела число сводов /, и это число за время At не изменилось; — за время At произошел переход состояния сыпучей среды из Хк в состояние Xi, где к - другое число сводов. Число к - может быть меньше / при разрушении свода, либо больше / при формировании нового свода. Найдем вероятность Р , если за время At сыпучая среда не изменила своего состояния и число сводов / осталось прежним. Такая вероятность равна произведению вероятности Рі на условную вероятность не перехода из состояния Хі в состояние с другим числом сводов.
Проявление интенсивностей потоков событий, приводящих к формированию сводов А1к и разрушению цы в разные моменты, проявляют себя не одинаково, и за время At может произойти рост числа сводов, либо убыль. Предположим, что число сводов уменьшилось: вероятность перехода из Хі в Хк: P" = P (t)-ju (t) At, где Pk(t) - вероятность состояния среды с к - числом сводов. Вероятность Р того, что за время At в среде осталось / сводов: P = P + P" = P.(t)-[\-YJ .k (t)-At] + YJP k (t)-jUkj(t)-At. Таким образом, вероятность состояния среды к моменту времени t + At P(t + At) = P. (t) [1 - E -Л (t) -At] + Z P k (0 иы (0 At, откуда изменение вероятностей при формировании (разрушении) свода: P(t + At)- P.(t) = TPAt)-jn ,.(0- - Р.(і)Т-Л .At)- At. Переходя к пределу при At - 0 и разделив правую и левую часть последнего уравнения на dt, получим: J—= Z Pk(t)-fi (t)-P(t) І A (t), (2.2) dt k = l M i = l uc dP.{t) где —-— = P.(t) - определяет изменение вероятности состояния сыпучей среды в dt і бункере; Nk - число разрушенных сводов к моменту времени t; Nt - число сформировавшихся сводов к моменту времени t. В правой части (2.2) первое слагаемое определяет плотность вероятности перехода сыпучей среды из состояния с к числом сводов в состояние С І числом сводов; второе - плотность вероятности перехода среды с і числом сводов в состояние с к числом сводов. При условии равновесия Р, (0 (0 = (0X (0, P-if) = 0, или P(t)TAik (t), Р.(0 = 0 P{t) = const. Вероятность состояния сыпучей среды не меняется, что возможно при отсутствии истечения. При условии TP kit)jukiit) Pi;it)T\kit) количество сводов разрушается больше, чем формируется P.(t) Q: скорость истечения, следовательно, и расход увеличится. При условии Р,()д,.() -()Л.,(), Р.() 0 скорость истечения и расход уменьшаются. В процессе истечения зернового материала из емкости формируются и разрушаются динамические своды, при этом количество сводов может принимать только целое, положительное значение. Изменение этого числа происходит в любые моменты времени истечения, при этом число сводов может увеличиваться на единицу, либо уменьшаться на единицу, либо оставаться величиной постоянной. В процессе заполнения емкости зерном разрушение сводов не происходит, то в уравнении (2.2) //,.(/) = 0, и, наоборот, при A.(t) = 0 происходит только разрушение сводов без их формирования.
Для удобства составления системы дифференциальных уравнений, определяющих вероятности состояния системы используется графическое представление процессов, называемое в теории случайных процессов расчётным графом.
Приведенный пример является основой для дальнейшего рассмотрения формы сводов в бункере. Последующее усложнение свода при увеличении сводообразующей высоты, приводит к увеличению числа звеньев. Свод, состоящий из 3-х звеньев, строится на основе 2-х звенного свода путем прибавления нового звена и укладки шаров под определенным углом. Как известно ранее, из теории профессора В.А. Богомягких [50], форма укладки шаров определяется углом укладки . На рисунке 2.10 приведены примеры укладки 3-х и 4-х шаров в зависимости от значения угла укладки. Угол укладки является характеристикой сыпучего материала и его состояния в бункере [155]. Стоит отметить, что данный угол следует считать между замковой (ключевой) частицей (для нечетных сводов) и последующей идущей в своде относительно нормали свода. Для сводов, состоящих из чётного числа частиц, угол укладки следует определять, как угол между «парами» уложенных частиц. Каждая пара частиц имеет свой угол укладки, но для элементарного объема угол укладки есть определенная величина, соответствующая среднему, наиболее вероятностному значению угла . В работе [155] предприняты попытки определить экспериментально угол укладки для бункера с боковым выпускным отверстием. На рисунке 2.10 приведены формы симметричной (относительно сводообразующего сечения) укладки 3-х и 4-х шаров в зависимости от угла в промежутке 30 – 90 град. по В.А. Богомягких [50].
Располагая данные своды из 3-х и 4-х шаров в бункере (рисунок 2.10), можно заметить, что форма свода находится в зависимости от угла укладки , причем для случая с бункером с боковым выпускным отверстием следует выделять несколько различных углов укладки для каждой пары частиц (рисунок 2.11): опорной-замковой (шары 1-2) и замковой-опорной (шары 2-3) – это связано с тем, что в отличие от осесимметричного бункера, движение сыпучего материала, в области сводообразующего сечения, происходит под углом наклона днища. Но для упрощения удобнее рассматривать один угол, равный среднему.
Определение условного диаметра частицы зернового материала
Специально созданная модель бункера с боковым выпускным отверстием (рисунок 3.1) представляет собой железный короб (высота 1 м, ширина 0.25 м, толщина 0.25 м), выполненный из стали (толщина 3 мм), имеющий: торцевую стенку, две боковые, заднюю стенку и регулируемое наклонное дно, устанавливаемое в диапазоне от 10 до 80 градусов к горизонту. Масса бункера без сыпучего материала составляла 27,143 кг. Наполнение бункера производилось при помощи мерного ведра. Масса бункера с сыпучим материалом (в статичном режиме и по мере истечения) измерялась с помощью первичного преобразователя, тензометрической балки Zemic (с пределом измерения 100 кг), на которой был подвешен бункер (рисунок 3.2 а).
Экспериментальная установка: 1 – бункер с боковым выпускным отверстием, 2 – чувствительная тензометрическая площадка, 3 – аналого-цифровой преобразователь, 4 –компьютер, 5 – приёмный лоток На бункере 1 был установлен переходной кронштейн 6, который через тензометрическую балку 7 закреплен на жестком основании 8. Внизу бункер 1 был закреплен через переходное устройство 9, закрепленное на раме бункера 8, через тензометрическую балку 10 к жесткому основанию 8 (рисунок 3.2).
Жесткое закрепление бункера на раме через тензометрические балки: а) закрепление на балке c пределом 100 кг б) нижняя фиксация бункера балкой с пределом измерения 5 кг Параметры тензометрической балки Zemic (100 кг) приведены в Приложении Д. На торцевой стенке бункера были закреплены чувствительные тензометрические площадки (рисунок 3.3).
Тензометрическая стенка: а) внешний вид б) внутренняя сторона, взаимодействующая с сыпучим материалом: 1 – тензометрические балки, 2 – чувствительные площадки, 3 – клемма проводов для подключения к АЦП Специально изготовленная тензометрическая чувствительная стенка, представляет собой «фальш» стенку бункера, на которой установлены тензометрические балки (с пределом 5 кг), позволяющие фиксировать давление на стенку бункера, действующее со стороны сыпучего материала. Эскиз закрепления установки тензометрической площадки на стенке бункера представлен на рисунке 3.4. На торцевую стенку бункера 2, через шайбы 3, на винтах 4 закреплена тензометрическая балка 1, фиксированная гайками 5. К тензобалке 1 через шайбу 3 закреплена чувствительная площадка 6 с площадью 1 см2. Таким образом, со стороны сыпучего материала стенка бункера является гладкой, ничем не отличается от стенки без тензометрических балок. И в тоже время, поверхность 6 является чувствительной к действующей силе.
Для исследования распределений давлений на торцевую стенку по всей высоте бункера был изготовлен набор различных пластин (длиной от 0,005 м до 0,25 м). Пластины выполнены из того же материала, что и остальные стенки бункера (рисунок 3.5).
Для преобразования сигнала с тензометрических балок в цифровой вид использована тензометрическая станция ZETLAB 0178, имеющая встроенный усилитель для тензодатчиков (рисунок 3.7). Тензостанция ZETLAB 0178 внесена в Госреестр средств измерений (№39236-08). Основные характеристики АЦП тензометрической станции приведены в таблице 3.1.
Запись сигнала с АЦП станции в компьютер проводилась с помощью программы ZET TENZO, поставляемой в комплекте с тензостанцией. Программа позволяет организовать работу блока усилителя, аналого-цифрового преобразователя, и произвести ввод данных в компьютер для последующей обработки.
Методика проведения эксперимента и обработка данных использована из работ [156-157]. Результаты обрабатывались в пакете прикладных программ Statistica 8.0, Statgraphics 5.0, Mathcad, а также в специально созданной программе «Анализатор сводов в зерновом бункере». Для обработки данных автором работы была создана программа «Анализатор сводов в зерновом бункере». Программа позволяет проанализировать и обработать полученные данные с АЦП для нахождения частот образования и разрушения сводов, времени образования и разрушения каждого свода, определить силу действия свода на торцевую стенку бункера. Программа подробно описана в работе автора [158]. Главное окно программы «Анализатор сводов в зерновом бункере» приведено в Приложении Д. Схема движения данных в программе приведена на рисунке 3.8. Для определения высот выпускного отверстия, при которых возможно образование динамических сводов, использовался лабораторный стробоскоп «Phywe» (рисунок 3.9). Методика проведения эксперимента была описана в работах автора [159-160]. Прибор «Phywe Stroboscope» позволяет изменять частоту мерцания лампы в диапазоне 0.1 до 100 Гц с шагом 0.1 Гц.
Для проведения экспериментальных исследований использовался зерновой материал различной влажности: пшеница, кукуруза, подсолнечник и просо. 3.3 Используемые методики экспериментальных исследований Для проведения экспериментов использовался сыпучий материал с известными физико-механическими свойствами, некоторые из которых были уточнены в ходе исследований: 1. Условный диаметр частицы зернового материала d; 2. Влажность зернового материала Wзм; 3. Засоренность сыпучего материала C, %; В зависимости от параметров бункера были определены следующие свойства сыпучего материала: 4. Сила, оказываемая сыпучим материалом при образовании и разрушение свода; 5. Частота образования и разрушения сводов . Расчет условного диаметра частицы сыпучего материала d проводился по формуле Гячева-Богомягких (2.1). Для измерения использовано по 100 зерен пшеницы, просо, кукурузы и подсолнечника.
Влажность используемого сыпучего материала определялась согласно инструкции использования прибора «Влагомер Фауна М», имеющего абсолютную погрешность 1%. Прибор включен в Госреестр средств измерений, допущенных к применению в Российской Федерации.
Определение засоренности проводилось по стандатным методикам. Для проб бралась навеска 1 кг зернового материала, вручную выделялась масса зерновой примеси, далее измерялась масса выделенной примеси. Расчет значения засоренности осуществлялся по формуле: m С = ф.с. 100%, mн где mф.с. – масса фракции выделенной сорной зерновой примеси, кг; mн – полная масса навески, кг. Если при анализе обнаруживали вредную примесь (плевела, головни, спорыньи, угрицы, вазеля, горчака, софоры, термопсиса ланцетного, гелиотропа опушенноплодного, триходесмы седой), то её учитывали в составе сорной примеси.
Как принято ранее, процесс истечения сыпучего материала рассматривается последовательностью образований и разрушений динамических сводов. Следственно сила, действующая со стороны свода на стенку бункера, носит переменный (пульсирующий) характер. Рисунок 3.10 – График зависимости силы, действующей со стороны сводов на стенку бункера, при истечении кукурузы из бункера с боковым выпускным отверстием Рассмотрим график зависимости действия силы F, со стороны сыпучего материала на чувствительную тензометрическую площадку (площадью 1 см2), полученного при истечении кукурузы (d = 6,8 мм, кондиционной влажности), угле наклона днища 45 градусов, высоте столба сыпучего материала в бункере 0.65 м и высоте выпускного отверстия 30 мм от времени t (рисунок 3.10).
Результаты определения времени (длительности) образования и разрушения сводов
Как известно ранее, при истечении сыпучего материала образуются своды. Для предотвращения образования динамических (скользящих) сводов и статических (устойчивых) сводов используются сводоразрушающие устройства. Как выявлено из обзора и анализа сводоразрушающих устройств, существует большое количество различных конструкций подобных устройств. Все сводоразрушающие устройства, вне зависимости от типа и природы воздействия на своды, объединяет наличие определенных параметров и режимов работы. Данные характеристики выбираются исходя из характера процесса образующихся и разрушающихся сводов в области, где их наличие наиболее вероятно.
Основная задача сводоразрушающего устройства – разрушение сводов в области их наиболее вероятностного образования и разрушения (в области сводов). Под разрушением сводов следует понимать нарушение равновесия свода, с целью понижения прочности свода. Равновесие свода может быть нарушено несколькими путями: смешением частиц находящихся в основании свода или смещением замковой частицы. Основанием свода для бункера с боковым выпускным отверстием являются точки опоры свод на стенку бункера и на днище бункера. Замковая частица находится в стреле свода, окруженная сыпучим материалом.
Таким образом, для эффективного разрушения сводов необходимо задаться типом истечения сыпучего материала из бункера. При нормальном истечении, смещение слоев сыпучего материала относительно днища бункера и торцевых стенок происходит неравномерно. Например, возле поверхности днища может наблюдаться застойная зона сыпучего материала, а возле торцевой стенки активное перемещение – поэтому для данного типа истечения, для достижения большего эффекта сводоразрушения, необходимо побуждать сыпучий материал, как возле стенок бункера, так и на поверхности днища. При гидравлическом истечении, движение сыпучего материала происходит равномерно, послойно, напоминая движение жидкости. В данном случае, достаточно нарушать равновесие одного основания свода, например опоры на торцевую стенку бункера. При смешанном типе наблюдается переход от нормального к гидравлическому истечению, так и обратно. Поэтому сводоразрушающее устройство должно учитывать данную особенность.
Для определения параметров и режимов работы сводоразрушающего устройства для конкретного бункера необходимо обладать следующими входными данными: — формой и конструктивными параметрами существующего (планируемого) бункера; — характеристикой вида истечения (нормальный, гидравлический, смешанный); — физико-механическими свойствами сыпучего материала (диаметр, размер максимального сводообразующего сечения и т.д.); — частотой образования и разрушения динамических сводов, а также амплитудой силы действия эквивалентного свода; — выбранным типом сводоразрушающего устройства. Общая методика расчета сводоразрушающего устройства:
Проведем проверку наличия области, в которой возможно образование и разрушение динамических сводов. Для этого найдем, возможное число сводов в этой области по формуле (2.29): h Ъ N = Vcosa ) d (4.6) где b – ширина бункера, м; h – высота выпускного отверстия, м; z – значение сводообразующего сечения для конкретного сыпучего материала и параметров бункера; а – угол наклона днища бункера к горизонтали, град.; d – диаметр частицы сыпучего материала, определенный по формуле (2.1), м.
Если N 0 значит в бункере в каждый момент времени, при установившемся режиме истечения существует некое максимальное число сводов равное N, в обратном случае, N 0, неустойчивых сводов при данных геометрических размерах бункера, и текущем сыпучем материале не существует.
Как показывают наблюдения за истечением, для гидравлического вида истечения достаточно разрушение сводов вдоль торцевой стенки бункера Ls (рисунок 4.10). Рисунок 4.10 – Эскиз бункера с боковым выпускным отверстием Для нормального и смешанного вида истечения необходимо разрушение сводов вдоль торцевой стенки бункера и разрушения сводов состоящих из застойных зон, образуемых на днище. Это объясняется образованием застойной зоны между днищем бункера и задней торцевой стенкой. В результате чего, амплитуда разрушения свода, и затрачиваемая сила должна быть выше, с целью недопущения образования застойных зон.
Из исходных данных известны два значения частот: образования и разрушения сводов. Как показали эксперименты, частота образования меньше частоты разрушения на 20 - 40% для установившегося режима истечения. Выявлено, что для наблюдения гравитационного истечения необходимо сохранять данное соотношение. Если частоты образования сводов равны частотам разрушения, то наблюдается неустойчивый режим истечения. Если частота образования сводов меньше частоты разрушения, истечение может вовсе прерываться за счет образования статических сводов. Основная задача сводоразрушающего устройства: разрушать своды с частотой больше частоты их образования.
По наблюдениям за истечением, выявлено, что средняя частота колебаний сводоразрушающего устройства должна выбираться исходя из частоты разрушения сводов и удовлетворять условию: /л - частота разрушения сводов, Гц. Рекомендуется, чтобы частота работы сводоразрушающего устройства приближалась или была равна частоте разрушения сводов. Если частота работы сводоразрушающего устройства приближается к частотам образования сводов, может наблюдаться, так называемый, резонанс «колебаний» сводов, поддерживаемый работой сводоразрушителя. Что, в свою очередь, может вызвать интенсификацию образования сводов, что приведет к прекращению истечения. А так как, образование сводов сопровождается сильными колебаниями и «ударами», это может вызывать деструктивные явления конструкции бункера [162].