Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований .13
1.1. Состояние исследований и обоснование направлений совершенствования технологий грузообработки минеральных удобрений 13
1.2. Состояние технического обеспечения пакетно-контейнерных технологий 21
1.3. Обзор конструкций мягких контейнеров для насыпных грузов 31
1.4. Обзор технических средств для пакетирования затаренных в мешки насыпных грузов 39
1.5. Анализ физико-механических и технологических свойств минеральных удобрений 51
Выводы и постановка задач исследований 56
ГЛАВА 2. Теоретические исследования 58
2.1. Теоретический анализ процесса порционного опорожнения мягкого контейнера 58
1.1.1. Анализ истечения сыпучего тела из отверстия в днище контейнера 58
2.1.2. Силовой анализ процессов регулирования и фиксации расхода сыпучего материала из выгрузного рукава мягкого контейнера 63
2.2. Анализ процесса опорожнения мягких контейнеров с глухим днищем через их горловину 75
2.2.1. Расчет силовых нагрузок на элементы устройства для опорожнения контейнеров 75
2.2.2. Кинематический анализ процесса опорожнения мягких контейнеров с глухим днищем 80
2.2.3. Анализ влияния силы инерции ссыпающего груза на процесс опорожнения мягкого контейнера 90
Выводы 93
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования 95
3.1. Программа и общие вопросы методики экспериментальных исследований 95
3.2. Результаты экспериментальных исследований процесса порционного опорожнения мягких контейнеров 98
3.2.1. Определение давления над выпускным отверстием и скорости истечения 98
3.2.2. Определение сил сопротивления сжатию выгрузного рукава мягкого контейнера 104
3.3. Определение силы сопротивления минеральных удобрений вдавливанию твердого тела 109
3.4. Результаты разработки и лабораторных испытаний экспериментальных образцов мягких контейнеров 112
3.5. Результаты разработки и лабораторных испытаний экспериментального образца устройства для опорожнения мягких контейнеров с глухим днищем .119
3.6. Изменение показателей качества удобрений в процессе хранения 127
Выводы 132
ГЛАВА 4. Разработка пакетно-контейнерных технологий и рекомендации по их техническому оснащению 134
4.1. Технология грузообработки затаренных в мешки удобрений 134
4.2. Технология грузообработки удобрений с использованием мягких контейнеров с порционной разгрузкой 141
4.3. Технология грузообработки удобрений в мягких контейнерах с использованием устройства для их опорожнения 145
4.4. Принципы оптимизации технологического обеспечения машин-удобрителей 148
Выводы 152
ГЛАВА 5. Результаты апробации и оценки энерго-экономической эффективности пакетно-контейнерных технологий 153
5.1. Результаты испытаний опытных образцов мягких контейнеров и устройства для опорожнения контейнеров 153
5.2. Результаты апробации и внедрения пакетно-контейнерных технологий 156
5.3. Оценка энерго-экономической эффективности пакетно-контейнерных технологий 160
Выводы и рекомендации 171
Список использованных источников 175
Приложения 186
- Состояние технического обеспечения пакетно-контейнерных технологий
- Силовой анализ процессов регулирования и фиксации расхода сыпучего материала из выгрузного рукава мягкого контейнера
- Технология грузообработки удобрений с использованием мягких контейнеров с порционной разгрузкой
- Оценка энерго-экономической эффективности пакетно-контейнерных технологий
Состояние технического обеспечения пакетно-контейнерных технологий
Технология поставки насыпных грузов в МК включает в себя выполнение в определенной последовательности технологических процессов загрузки (затаривания), погрузки-разгрузки, транспортирования, складирования и разгрузки (растаривания) контейнеров. При пакетных поставках мешковых грузов дополнительно выполняются операции по формированию, скреплению и разборке пакетов.
Типовые схемы процессов грузообработки минеральных удобрений, поставляемых в МК, на этапах от завода до поля представлены на рис. 1.2 [34,60]. Эффективность транспортно-контейнерной системы зависит от уровня технического оснащения пунктов погрузки-разгрузки контейнеров, соответствия используемых технических средств конструкции мягких контейнеров и пакетов и свойствам перерабатываемого груза.
Для выполнения погрузочно-разгрузочных операций с МК и пакетами используются различные типы грузоподъемных машин: портальные, мостовые, козловые, железнодорожные и автомобильные краны, краны-штабелеры, электро- и автопогрузчики, тракторные и автомобильные погрузчики, кран-балки и электротельферы. Выбор того или иного средства механизации погрузочно-разгрузочных работ обусловлен объемом производства, характеристикой обслуживаемых площадок и мест складирования груза, а также массой единичных контейнеров и пакетов.
Для снижения затрат труда на выполнение погрузочно-разгрузочных операций и обеспечения сохранности мягкой тары важное значение имеет выбор рациональной конструкции грузозахватных устройств [76, 84,114]. Наиболее трудоемкими являются операции по строповке МК без грузовых петель и проушин типа МКР-1,0М. Для грузообработки МК данного типа разработаны специальные грузозахватные приспособления. Полуавтоматический захват ПМК-Ф-1, разработанный НИПТИМЭСХ НЗ РФ для тракторных погрузчиков типа ПКУ-0,8 и КУН-10А (рис. 1.3), обеспечивает автоматическое освобождение горловины контейнера при установке его на опорную поверхность.
Для грузообработки мягких пакетов, сформированных без поддонов, на плоских и в стоечных поддонах, используют универсальные вилочные захваты. В случае верхней погрузки (разгрузки) пакетов, например в трюмы барж, используют специальные вилочные подхваты.
Выполнение операций по загрузке и разгрузке транспортных средств связано с рациональным использованием их грузоподъемности и вместимости кузовов, обеспечением требований безопасности при производстве погрузочно-разгрузочных работ, устойчивости контейнеров и пакетов в процессе транспортировки и сохранности их оболочки.
Для железнодорожных перевозок грузов в МК и пакетах используются универсальные крытые вагоны и полувагоны, для автотранспортных - бортовые грузовые автомобили. Выполнение погрузочно-разгрузочных операций в условиях предприятий «Сельхозхимия» и хозяйств осуществляется в основном автомобильными кранами. Отсутствие последних в большинстве хозяйств-потребителей удобрений является одной из главных причин, сдерживающих увеличение объемов поставок удобрений в МК.
В последние годы как за рубежом, так и в нашей стране для данного вида грузов все шире используются автомобили-самопогрузчики, обеспечивающие выполнение транспортных и погрузочно-разгрузочных операций. В качестве грузоподъемных средств автомобилей-самопогрузчиков служат автономные портальные и консольно-поворотные гидрокраны. Для рассматриваемых целей более эффективно консольно-поворотное исполнение гидрокранов (рис. 1.4). Погрузочные манипуляторы данного типа позволяют с одной установки автомобиля обслуживать большую площадь, производить по-грузочно-разгрузочные операции в стесненных помещениях небольшой высоты и могут быть использованы в большегрузных автомобилях и автопоездах [29,31].
Основные требования, предъявляемые к технологическим процессам складирования насыпных грузов в МК и пакетах, заключаются в обеспечении допустимого давления на груз нижнего яруса и устойчивости штабелей. Минимальное давление на груз нижнего яруса, способствующее снижению сле-живаемости удобрений, может быть достигнуто при хранении их на стеллажах и в стоечных поддонах. Однако попытки организации стеллажного хранения минеральных удобрений в пакетах, сформированных на плоских деревянных поддонах, не дали положительного результата. Основной причиной тому явилась низкая надежность мостовых кранов-штабелеров общепромышленного назначения при эксплуатации в агрессивной среде удобрений. Технология складирования аммиачной селитры в закрытых складах с использованием стоечных поддонов также не была реализована на практике.
Наиболее широкое распространение получила технология складирования и хранения удобрений в МК и пакетах на открытых площадках. С этой целью были разработаны и реализованы в ряде регионов типовые проекты (Т.П.) 705-1-125 и 7-5-1-126 открытых прирельсовых складов вместимостью соответственно 500 и 1000 т (рис. 1.5).
Силовой анализ процессов регулирования и фиксации расхода сыпучего материала из выгрузного рукава мягкого контейнера
Основными эксплуатационными требованиями к процессу порционной разгрузки МК являются обеспечение оперативного управления расходом сыпучего материала из выгрузного рукава и исключение его просыпи после перекрытия потока, т.е. сжатия рукава. Рассматриваемый процесс осуществляется следующим образом. Снижение и прекращение расхода истекающего материала из выгрузного рукава производится путем натяжения стягивающего шнура рукой рабочего, находящейся в горизонтальном положении. По завершению частичной разгрузки МК и сжатия выгрузного рукава прекращается действие силы натяжения шнура и одновременно введением в действие фиксатора осуществляется прижатие свободных концов стягивающего шнура к элементам фиксатора.
Исходя из требований по охране труда, регламентирующих усилия управления рабочими органами машин и оборудования, предельно допустимые значения сил натяжения шнура и его фиксации должны соответственно составлять: [Рн] = 12 кгс, [Рф] = 5 кгс. В зависимости от конструктивного исполнения стягивающего узла процесс сжатия выгрузного рукава может осуществляться при перемещении стягивающего шнура только в горизонтальной плоскости или с одновременным его подъемом к днищу контейнера.
В процессе сжатия выгрузного рукава с перемещением стягивающего шнура только в горизонтальной плоскости силы трения шнура по поверхности рукава могут иметь два или одно направление (рис. 2.2). Наличие двух сил трения будет иметь место во всех случаях, когда длина /г участка рукава, образующего коническую поверхность, окажется больше длины 1\ рукава от днища МК до горизонтальной плоскости стягивающего шнура (рис. 2.2,а). Для ликвидации силы трения шнура, направленной вдоль оболочки рукава, верхний его участок может быть выполнен гофрированным (рис. 2.2,6) или расширяющимся книзу (рис. 2.2,в). При сжатии рукава стягивающим шнуром, размещенным в петлях гибких лепестков, прикрепленных к днищу МК, для указанной цели гофрированными могут быть выполнены как лепестки, так и верхний участок рукава (рис. 2.2,г). Однако последние решения связаны с существенным конструктивным усложнением стяжного узла МК.
В предложенной конструкции стяжного узла МК (рис. 2.3) в процессе сжатия выгрузного рукава концы лепестков с петлями и стягивающим шнуром перемещаются к центру рукава по дуге окружности с радиусом, равным длине лепестков /л. При этом стягивающий шнур одновременно перемещается относительно оболочки рукава. При креплении лепестков на некотором расстоянии ЛІ от выгрузного рукава верхняя его часть над стягивающим шнуром будет приобретать сферическую форму.
Для обеспечения надежного перекрытия потока истекающего сыпучего материала длина лепестков должна удовлетворять условию: 1л А1 + Rp- Гр, где ЯрКГр- соответственно радиусы выгрузного рукава в расправленном и сжатом состояниях. В случае крепления лепестков вплотную к выгрузному рукаву должно выполняться условие: IJI RP— г р.
В процессе сжатия выгрузного рукава сила Рн натяжения стягивающего шнура преодолевает силы сопротивления деформации сыпучего материала (Рм) и оболочки выгрузного рукава (РР), трения шнура по наружной поверхности рукава (Тш.р) и элементам фиксатора (Тш.ф), приведенные к точке приложения силы натяжения шнура [132]: Рн =ДРм, Рр,Тш-р,Тш.ф). (2.14)
Указанные силы сопротивления и трения зависят от физико-механических свойств сыпучего материала и оболочки выгрузного рукава, диаметра последнего, а также конструктивных параметров элементов стягивающего узла и фиксатора. При этом силы сопротивления деформации сыпучего материала и сжатию оболочки выгрузного рукава уравновешиваются силой давления стягивающего шнура при его натяжении.
Для определения силы сопротивления деформации насыпного груза в процессе сжатия выгрузного рукава рассмотрим условие равновесия сыпучего тела в форме половинной части усеченного конуса с цилиндрическим отверстием в центре, лежащего на внутренней поверхности частично сжатой оболочки рукава (рис. 2.4). Пренебрегая силой трения истекающего потока по цилиндрической поверхности, в рассматриваемой модели на выделенное сыпучее тело будут действовать следующие силы: давления Рв вышележащего столба насыпного груза; тяжести G; бокового давления РБ со стороны противолежащей части сыпучего тела; трения Тр сыпучего тела по внутренней поверхности рукава и реактивная сила Рм со стороны наклонного участка рукава. После полного сжатия выгрузного рукава касательные напряжения и сила трения по поверхности внутреннего цилиндрического отверстия истечения будут равны нулю.
Технология грузообработки удобрений с использованием мягких контейнеров с порционной разгрузкой
В рассматриваемой технологии использование МК возможно как в варианте заводской поставки удобрений в этих контейнерах, так и на этапах: прирельсовый склад - склад хозяйства - поле. Второй вариант технологии обуславливает выполнение операций выгрузки незатаренных удобрений из железнодорожных вагонов и затаривания их в МК.
Выгрузка удобрений из вагонов типа хоппер-цементовоз (минераловоз) может осуществляться на повышенном подъездном пути и подрельсовых приемных устройствах [122, 140]. В первом случае для складской грузообработки незатаренных удобрений могут использоваться мостовые грейферные краны и фронтальные одноковшовые погрузчики, во втором - конвейерный транспорт. Затаривание удобрений в МК должно осуществляться в возможно короткий срок после разгрузки вагона. В зависимости опять же от объемов работ для этой цели могут использоваться различные по техническому уровню средства механизации. Высокопроизводительные линии затаривания МК, используемые на заводах по производству удобрений, выпускаются рядом зарубежных фирм и отечественных предприятий, например, компанией ООО «Техника для упаковки» (ТЕХПАК), г. Ярославль. Однако использование дорогостоящих линий для загрузки МК в условиях прирельсовых складов может оказаться экономически нецелесообразным. Для рассматриваемых условий рациональны упрощенные технологические решения в виде стационарных бункеров-питателей с отгрузочными конвейерами ленточного, винтового или скребкового типов, оснащенных при необходимости весоизмерительными устройствами. На рис. 4.8. представлена схема разработанной во ВНИМСе установки для затаривания МК с использованием приемных бункеров БП-3,0М с винтовыми питателями [3, 122]. Она состоит из двух совмещенных бункеров-питателей с индивидуальными электроприводами и поддон-тележек, перемещающихся по направляющим.
Во втором упрощенном варианте разработанной установки для загрузки МК (рис. 4.9) в качестве бункера-питателя с объемным дозированием использован кузов машин для внесения удобрений типа 1РМГ-4, МВУ-5. Привод пруткового транспортера бункера-питателя выполнен от 3-скоростного электродвигателя с цепной передачей.
Доставка затаренных в МК удобрений с прирельсовых баз в склады хозяйств может осуществляться как универсальным грузовым автотранспортом, так и автомобилями-самопогрузчиками. В последнем случае, как отмечалось, отпадает необходимость в использовании специальных погрузочных средств для погрузки и выгрузки МК из кузовов автомобилей. Для доставки МК из склада хозяйства в поле и прямоточной перегрузки удобрений в М-У могут использоваться также автомобили-самопогрузчики и тракторные агрегаты с погрузочными манипуляторами. Выбор указанных технических средств будет определяться расстоянием от склада хозяйства до поля, грузоподъемностью МК, дорожными условиями и габаритами обслуживаемых М-У и ЗТА.
Перегрузка удобрений из МК в рабочие бункеры М-У и ЗТА может осуществляться в подвешенном состоянии контейнера или после его установки на специальную подставку. В обоих случаях рабочему-оператору запрещается находиться под перемещающимся МК и стрелой погрузочного средства. Для безопасного производства работ при перегрузке удобрений из МК с двумя выгрузными рукавами в зернотуковые сеялки типа СЗУ-3,6 разработано съемное приспособление к сеялке (рис. 4.10). Съемное приспособление выполнено в виде ложемента для контейнера, установленного с возможностью поворота на вертикальной стойке, которая крепится к уголковым связям туковых бункеров сеялки. Схема загрузки удобрениями бункеров сеялки с использованием данного приспособления показана на рис. 4.11.
Комплексно-механизированная схема технологического процесса гру-зообработки удобрений с использованием МК с порционной разгрузкой представлена на рис. 4.12 [85,117].
Оценка энерго-экономической эффективности пакетно-контейнерных технологий
В современных условиях, наряду с методами оценки эффективности технологий производства и технологических процессов по затратам труда и экономическим показателям [25, 80, 81, 93, ПО], в сфере сельскохозяйственного производства все более широко используются методы энергетической оценки, в которых топливо и энергия рассматриваются не только как материальные ресурсы, но и как один из основных факторов интенсификации сельского хозяйства на всех этапах производства продукции. Сельскохозяйственное производство является уникальной производственной системой, в которой не только используют и перерабатывают энергию, но и производят ее в виде конечного продукта. Перевод всех ресурсов и производимой продукции в энергетические единицы по единой методологии и определенным коэффициентам обеспечивает комплексный подход к оценке эффективности технологий, позволяетсвестивсе затраты в единую систему энергетических показателей, которые в отличие от стоимостных не нуждаются в приведении к неизменным во времени ценам, не зависят от курсов валют, инфляционных факторов и ценовых искажений [70, 82, 83, 86, 97,121].
К настоящему времени разработаны методические основы и частные методики по оценке эффективности ряда технологических процессов в сельскохозяйственном производстве, в т.ч.: повышения и воспроизводства плодородия почв, послеуборочных технологических операций, возделывания и уборки сельскохозяйственных культур, мелиоративных работ, производства продукции животноводства, производства и применения биогумуса способов борьбы с сорными растениями, а также специализации и ценообразования в зерновом хозяйстве. Однако указанные разработки не учитывают в необходимой мере специфические особенности технологических процессов грузо-обработких и хранения твердых минеральных удобрений (ТМУ) на различных этапах их продвижения от производителя к потребителю. В этой связи для рассматриваемых целей возникла необходимость разработки частной методики расчета энергозатрат.
В соответствии с общими методическими положениями энергетическая оценка технологий, комплексов машин и отдельных агрегатов производится по коэффициенту энергетических затрат (Кэ), представляющему собой отношение суммарных энергозатрат новой технологии (комплексов или отдельных агрегатов) {EQH) К энергозатратам базовой технологии (ЕСБ), а также по уровню интенсификации (И) технологических процессов:
Применительно к поставленной задаче суммарные удельные энергозатраты (Ес) на выполнение технологического процесса (технологической операции) рассчитываются на 1 т физической массы перерабатываемых удобрений. Они включают в себя прямые затраты энергии (Еп) (электроэнергии, топлива, тепла) и энергозатраты живого труда (Еж), а также косвенные энергозатраты, переносимые средствами механизации (ЕМЕХ) производственными зданиями (складами), объектами инженерного обеспечения и вспомогательного назначения (Еск) Ес = Еп + Еж + ЕМЕх + ЕСк- (5.3).
Учитывая большую долю энергозатрат, связанных с эксплуатацией зданий складов для хранения ТМУ и разнообразие их конструктивных решений, энергоемкость последних целесообразно рассчитывать не по энергетическому эквиваленту единицы их площади, как рекомендуется общей методикой, а по суммарной энергоемкости строительных элементов (материалов) зданий складов и энергозатратам живого труда на выполнение строительно-монтажных работ. Такой подход позволяет с большей точностью оценить долю энергоемкости складов, переносимой на переработку и хранение 1 тонны удобрений. Согласно предлагаемому методу энергоемкость зданий складов минеральных удобрений может быть рассчитана по формуле:
В современных условиях, наряду с методами оценки эффективности технологий производства и технологических процессов по затратам труда и экономическим показателям [25, 80, 81, 93, ПО], в сфере сельскохозяйственного производства все более широко используются методы энергетической оценки, в которых топливо и энергия рассматриваются не только как материальные ресурсы, но и как один из основных факторов интенсификации сельского хозяйства на всех этапах производства продукции. Сельскохозяйственное производство является уникальной производственной системой, в которой не только используют и перерабатывают энергию, но и производят ее в виде конечного продукта. Перевод всех ресурсов и производимой продукции в энергетические единицы по единой методологии и определенным коэффициентам обеспечивает комплексный подход к оценке эффективности технологий, позволяетсвестивсе затраты в единую систему энергетических показателей, которые в отличие от стоимостных не нуждаются в приведении к неизменным во времени ценам, не зависят от курсов валют, инфляционных факторов и ценовых искажений [70, 82, 83, 86, 97,121].
К настоящему времени разработаны методические основы и частные методики по оценке эффективности ряда технологических процессов в сельскохозяйственном производстве, в т.ч.: повышения и воспроизводства плодородия почв, послеуборочных технологических операций, возделывания и уборки сельскохозяйственных культур, мелиоративных работ, производства продукции животноводства, производства и применения биогумуса способов борьбы с сорными растениями, а также специализации и ценообразования в зерновом хозяйстве. Однако указанные разработки не учитывают в необходимой мере специфические особенности технологических процессов грузо-обработких и хранения твердых минеральных удобрений (ТМУ) на различных этапах их продвижения от производителя к потребителю. В этой связи для рассматриваемых целей возникла необходимость разработки частной методики расчета энергозатрат.
В соответствии с общими методическими положениями энергетическая оценка технологий, комплексов машин и отдельных агрегатов производится по коэффициенту энергетических затрат (Кэ), представляющему собой отношение суммарных энергозатрат новой технологии (комплексов или отдельных агрегатов) {EQH) К энергозатратам базовой технологии (ЕСБ), а также по уровню интенсификации (И) технологических процессов:
Применительно к поставленной задаче суммарные удельные энергозатраты (Ес) на выполнение технологического процесса (технологической операции) рассчитываются на 1 т физической массы перерабатываемых удобрений. Они включают в себя прямые затраты энергии (Еп) (электроэнергии, топлива, тепла) и энергозатраты живого труда (Еж), а также косвенные энергозатраты, переносимые средствами механизации (ЕМЕХ) производственными зданиями (складами), объектами инженерного обеспечения и вспомогательного назначения (Еск) Ес = Еп + Еж + ЕМЕх + ЕСк- (5.3).
Учитывая большую долю энергозатрат, связанных с эксплуатацией зданий складов для хранения ТМУ и разнообразие их конструктивных решений, энергоемкость последних целесообразно рассчитывать не по энергетическому эквиваленту единицы их площади, как рекомендуется общей методикой, а по суммарной энергоемкости строительных элементов (материалов) зданий складов и энергозатратам живого труда на выполнение строительно-монтажных работ. Такой подход позволяет с большей точностью оценить долю энергоемкости складов, переносимой на переработку и хранение 1 тонны удобрений. Согласно предлагаемому методу энергоемкость зданий складов минеральных удобрений может быть рассчитана по формуле:
