Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Анализ теорий механики сыпучих тел в бункерах 8
1.2 Классификация существующих бункеров 21
1.3 Анализ существующих сводоразрушающих устройств 28
Глава 2. Теоретические предпосылки сводоразрушающего процесса истечения мелких сыпучих материалов из бункеров 36
2.1. Обоснование допущений модели мелкого сыпучего тела 36
2.2 Механизм образования в бункерах статически устойчивых сводов при истечении мелких сыпучих тел 43
2.3 К определению областей существования сводов в бункере 52
2.4. Влияние упругости мелкого сыпучего материала на его напряжения и деформации 60
2.5. Влияние упругой стенки выпускного отверстия бункера на сводообразование в нем мелкого сыпучего тела 63
2.6. Расход и скорость истечения мелкого сыпучего тела из выпускного отверстия бункера 74
Выводы по главе 85
Глава 3. Экспериментальные исследования . 86
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 86
3.2 Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований 86
3.3 Общая программа и частные методики проведения экспериментальных ных исследований 91
3.4 Методика обработки экспериментальных данных 95
Глава 4. Результаты исследований и их анализ 96
4.1. Влияние физико-механических свойств мелких сыпучих материалов на процесс их истечения из бункеров 96
4.2 Влияние угла наклона стенок бункера на процесс истечения мелких сыпучих материалов 99
4.3 Влияние площади поперечного сечения выпускного отверстия бункера на процесс истечения мелких сыпучих материалов. 109
4.4 Методика инженерного расчета сводоразрушающих устройств для бункеров мельниц 114
4.5 Пример расчета основных конструктивных и режимных параметров сводоразрушающих устройств 117
Выводы по главе 123
Глава 5. Экономическая эффективность внедрения результатов исследований 125
Общие выводы 136
Литература 13 8
Приложения 151
- Анализ теорий механики сыпучих тел в бункерах
- Обоснование допущений модели мелкого сыпучего тела
- Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований
- Влияние физико-механических свойств мелких сыпучих материалов на процесс их истечения из бункеров
Введение к работе
Объем мелких сыпучих материалов в сельскохозяйственном производстве России составляет около 60 % от общего объема всех производимых сыпучих материалов.
В отличии от зернистых материалов мелкий сыпучий материал плохо поддается выгрузке из бункера, из-за наличия в нем сил сцепления, а также статических электрических сил. Кроме того, он очень гигроскопичен. Последнее обуславливает, даже при незначительном повышении влажности воздуха, проявление адгезионных сил, также отрицательно влияющих на их разгрузку.
Существующие теории, в частности теория П. А. Пешля [102], описывают в некоторой степени реальное поведение этих материалов в бункерах. Однако, они не раскрывают такие явления, как динамическое сводообразование в бункерах, а также их пульсирующий характер истечения. Кроме того, указанные теории не приводят зависимостей, с помощью которых можно было бы определять технологические параметры бункеров и проектировать устройства, стимулирующие процесс истечения из бункеров мелких сыпучих материалов.
В этом плане тема диссертационной работы актуальна как в теоретическом, так и практическом отношениях.
Цель работы - разработать теоретические предпосылки процесса истечения мелких сыпучих материалов из бункеров сельскохозяйственного назначения и создать на их основе технические средства, улучшающие процесс истечения материалов.
Объект исследования — процесс истечения мелких сыпучих материалов из выпускных отверстий бункеров мельниц.
Предмет исследования — установление аналитических зависимостей, определяющих влияние основных факторов на функционирование объекта исследований.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- модель мелкого сыпучего тела, позволяющая рассматривать процессы,
протекающие в бункерах, с точки зрения дискретности и непрерывности их
протекания.
- теоретические предпосылки процесса истечения, связывающие
основные факторы, влияющие на технологические параметры бункеров и
режимные характеристики устанавливаемых в них сводоразрушающих
устройств.
- алгоритм и методика инженерного расчета технических средств,
стимулирующих и улучшающих процесс истечения мелких сыпучих
материалов из бункеров сельскохозяйственного назначения.
Анализ теорий механики сыпучих тел в бункерах
Многие процессы в производстве связаны с истечением сыпучих материалов. Эти процессы по их протеканию многообразны и изменчивы. На истечение сыпучих материалов влияет ряд факторов, изучение которых обусловлено необходимостью и потребностью производства и, в частности, потребностью сельскохозяйственного производства.
В результате исследований отечественных и зарубежных ученых, а также опыта производства установлено, что явление сводообразования сыпучих материалов в бункерах есть его естественное свойство, которое проявляется в сыпучих телах, находящихся в граничных условиях. Статическое и динамическое сводообразование наблюдается при любом виде истечения сыпучего тела. Его влияние на технологическую и техническую надежность бункерных установок несомненно. Оно доказано многолетним опытом эксплуатации бункерных устройств.
Рассмотрим подробнее виды истечения, наблюдающиеся в бункерах при истечении из них сыпучих материалов.
При нормальном виде истечения [30] частицы сыпучего тела находятся в движении лишь в зоне столба сыпучего материала над выпускным отверстием бункера. (Рис. 1.1 а) Свободная поверхность сыпучего тела представляет собой воронку, по стенкам которой частицы сыпучего тела перемещаются в центральную зону потока. Сыпучий материал вдоль стенок бункера образует застойную зону. В этой зоне частицы неподвижны до тех пор пока воронка, образованная на поверхности сыпучего тела, не достигнет самого нижнего поперечного сечения бункера.
По данным исследований [30] этот вид истечения сыпучего материала наблюдается в большинстве стационарных бункеров, имеющих вблизи выпускного отверстия наклон стенок к горизонту в пределах 45-55
При гидравлическом виде истечения (что наблюдается крайне редко) все частицы сыпучего тела находятся в движении. Свободная поверхность сыпучего тела в бункере не имеет четко выраженной воронки - все частицы данной поверхности сыпучего опускаются одновременно, причем скорость опускания некоторых частиц носит стохастический характер. При таком виде истечения отсутствуют застойные зоны, что позволяет выравнивать поток сыпучего тела, который поступает в бункер. Например, такая форма истечения появляется в бункере, стенки которого имеют угол наклона к горизонтали л=70-80.
В заполненных бункерах, как правило, при открытии выпускного отверстия в первый момент наблюдается нормальный вид истечения, после чего зона движущихся частиц расширяется, образуя объем обрушения [14]. Когда границы объема обрушения достигают стенок бункера, возникает гидравлический вид истечения. Следует отметить, что гидравлический вид истечения, как таковой, в чистом виде практически не наблюдается в природе, наибольшее распространение получил, так называемый, смешанный вид истечения.
Смешанный вид истечения наблюдается в комбинированных бункерах и силосах с переходом нормального вида истечения в гидравлический или наоборот.
При любом виде истечения сыпучего тела его скорость, расход и давление на стеки бункера практически не зависят от высоты столба сыпучего тела, но, однако, зависят от чередования процессов образования и разрушения динамических сводов. При проектировании и работе бункеров необходимо учитывать недостатки процесса их разгрузки: -прекращение истечения материала вследствие образования статически устойчивых сводов из частиц сыпучего тела над выпускным отверстием; - необходимое истечение из-за образования статических и динамических сводов; - выбросы сыпучего материала при неравномерном истечении;
При научном подходе при проектирования бункеров и сводоразрушающих устройств этих их недостатков можно избежать.
При нормальном виде истечения сыпучий материал, загруженный в бункер в последнюю очередь, вытекает первым, а, загруженный в первую очередь - вытекает последним.
В пассивных зонах может происходить окисление или спекание сыпучих материалов, способствующие сводообразованию и ухудшающие процесс истечения сыпучих тел.
В условиях сводообразования возможен выброс сыпучего материала, отрицательно влияющий на работу рабочих органов машины.
При гидравлическом виде истечения весь сыпучий материал находится в момент его выпуска в движении. При этом материал, попавший первым, выходит первым. Не происходит образование каналов и визуально фиксированных воронок.
Вид истечения определяется визуально. Он проявляется в момент образования воронки на свободной поверхности бункера, т. е., на свободной поверхности материала в бункере.
Следует отметить, что для нормального и гидравлического видов истечения не существует четко выраженных параметров бункера. Можно только определить вид истечения сыпучего материала, но не форму бункера.
Каждый материал ведет себя в бункере по разному, будь-то бункер з углом стенок к горизонту 30-45 или бункер с углом в 60-90.
В настоящее время для снижения влияния сводообразования на процесс истечения сыпучего тела применяют гиперболические днища езмкости, повышающие их производительность.
В гиперболических выпускных воронках достигается постоянное значение коэффициента сужения потока, что уменьшает сопротж вление стенок. С увеличением глубины вертикальное давление увеличивается и стремится к некоторому постоянному значению (к пределу), слишком малому, чтобы вызвать уплотнение материала и его сводообразования.
Считается, что в момент открытия выпускного отверстия бу нкера в движение приходит весь столб сыпучего тела над его отверстием. ГГри этом, площадь поперечного сечения потока по всей высоте принимается: равной площади отверстия, а скорость движения частиц одинаковой. Но ещ в 1935 году проф. В.Блох и инженер Г.Чайка [24] показали, что при открытии отверстия бункера в движение приходит не весь столб сыпучего, а не который его объем, ограниченный поверхностью скольжения, состояящей из неподвижных частиц самого сыпучего материала (при норігмальном истечении), или стенками бункера (при гидравлическом истечении).
Обоснование допущений модели мелкого сыпучего тела
В основу теоретического решения задач работы положена модель дискретного мелкого сыпучего тела И.А. Пешля [102]. Эта модель представляет собой совокупность одинаковых абсолютно твердых мелких сыпучих шаровых частиц, несоизмеримых с размерами бункера и уложенных в его объеме послойно с некоторым среднестатистическим углом укладки. Модель также предполагает, что движение ее частиц в потоке мелкого сыпучего тела происходит без их относительного вращения по пересекающимся линиям скольжения, эквидистантным образующей поверхности скольжения потока.
В указанной модели допущение о несоизмеримости частиц с размерами бункера и их послойной укладке в его объеме с некоторым среднестатистическим углом укладки позволяет рассматривать процессы, происходящие в мелких сыпучих телах, с точки зрения непрерывности их протекания; допущение о движений частиц по пересекающимся линиям скольжения, эквидистантным образующим поверхности скольжения потока, позволяет рассматривать дискретный характер протекания этих процессов.
В процессе работы бункеров частицы сыпучего тела, двигаясь в сторону выпускного отверстия, совершают перемещения относительно друг друга и относительно поверхности, ограничивающей поток сыпучего материала. Эти перемещения сопровождаются трением, возникающим в местах контакта соприкасающихся поверхностей. В различных случаях это трение может быть жидкостным или сухим. Закономерности жидкостного трения достаточно достоверно описываются законами вязкой жидкости.
В производственных условиях наиболее часто встречаются сыпучие тела, у которых трение между частицами приближается к предельному случаю сухого трения. К ним относится большинство применяемых в сельском хозяйстве сыпучих материалов: песок, порошкообразные удобрения, сыпучие корма и их отходы и т. д. Эти материалы очень гигроскопичны — сильно впитывают влагу. Поэтому закономерности, описывающие-аккумулирование и движение таких сыпучих тел в бункерах, зачастую не отвечают данным экспериментальных исследований. Однако при влажности, равной 10-14 %, они подчиняются закону сухого трения. В связи с этим, одним из допущений модели принято допущение о сухом трении между частицами, а так же между частицами и поверхностью, ограничивающей поток сыпучего тела.
В любом бункере укладка частиц сыпучего тела случайна, стохастична. Для теоретического решения задач необходима послойная укладка частиц, но эквивалентная в механическом отношении случайной.
Возможность замены сыпучего тела с беспорядочным расположением частиц в бункере эквивалентным ему в механическом отношении сыпучим телом с укладкой частиц слоями может быть обоснована, исходя из теории Л.В. Гячева [55] и В.А. Богомягких [18].
Пусть, например, в бункере (Рис. 2.1а) находится мелкий сыпучий материал с беспорядочным расположением частиц. Выделим в нем параллельными плоскостями а-а и в-в элементарный объем, высота которого равна диаметру частицы. Ввиду несоизмеримости объема каждой частицы и объема бункера в выделенном элементарном объеме будут находиться частицы, полностью укладывающиеся между плоскостями а-а и в-в.
Так как все частицы выделенного слоя находятся в контакте с окружающими их частицами, то каждая пара соприкасающихся частиц имеет свой определенный угол укладки /?, следовательно, и определенное, отвечающее этому углу, соотношение осевого и бокового усилий. Для элементарного объема это соотношение является вполне определенной величиной, но соответствующее уже какому-то среднему, наиболее вероятному значению угла J3.
Данный вывод справедлив и для всего объема сыпучего материала, так как последний есть не что иное, как сумма элементарных объемов, каждый из которых может быть заменен эквивалентным ему в механическом отношении объемом, но уже с послойной укладкой частиц сыпучего тела в бункере (Рис. 2.16)
При определении теоретически возможного среднего значения угла /Г необходимо исходить из предложения, что при закрытом затворе выпускного отверстия бункера плотность сыпучего тела стремится к своему предельному значению утах . Так как плотность сыпучего материала является функцией укладки его частиц в бункере, то, следовательно, и угол /? стремится к определенному значению.
То есть, замена беспорядочной укладки шаров в бункере эквивалентной послойной в механическом отношении может быть осуществлена с помощью угла укладки, равного 9 40/.
Экспериментальные данные исследований показывают [20,45,59,64,68,83,115,138], что для любого сыпучего материала существует определенный сводообразующий размер выпускного отверстия. Этот размер является предельным. При размере отверстия, равном предельному, происходит перераспределение усилий в сыпучем теле, приводящее в конечном счете к прекращению истечения сыпучего материала из бункера и образованию в нем статически устойчивого свода.
Из указанного следует, что предположение о малости размеров частиц по сравнению с размерами выпускного отверстия справедливо, когда размер последнего больше наибольшего его сводообразующего размера. Предельным же случаем справедливости принятого предположения является случай, когда размер выпускного отверстия бункера равен его наибольшему сводообразующему размеру.
Таким образом, при теоретическом исследовании явлений, наблюдаемых в бункерах при их работе, можно с некоторыми допущениями заменить сыпучее тело с конечными размерами частиц эквивалентной в механическом смысле сплошной мелкой сыпучей средой. Данное допущение (наряду с допущением об укладке частиц в бункере) позволяет рассматривать процессы, происходящие в сыпучих телах, с точки зрения дискретности их протекания. Последнее полностью подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями.
Данные исследования и экспериментальные данные других работ [79,140] указывают на отсутствие вращательного движения частиц сыпучего тела при их перемещений в бункере. Отсутствие вращательного движения частиц объясняется тем, что граничные частицы потока имеют одну точку контакта со стенкой бункера (при гидравлическом виде истечения) или с поверхностью скольжения потока (при нормальном виде истечения) и несколько точек соприкосновения с окружающими ее частицами.
Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований
Основной целью работы является совершенствование процесса истечения мелких сыпучих материалов из бункеров в условиях их сводообразования. Целью экспериментальных исследований является подтверждение результатов теоретических исследований опытным путем и получение количественной и качественной их адекватности. Задачами экспериментального исследования являлись: 1. Определение физико-механических свойств мелких сыпучих материалов. 2. Определение наибольших сводообразующих отверстий бункера. 3. Определение расхода и скорости истечения мелких сыпучих материалов в зависимости от времени истечения, угла наклона стенок днища бункера и площади его выпускного отверстия. 4. Определение режима работы технологического средства для стимулирования процесса истечения мелких сыпучих материалов.
При проведении экспериментальных исследований были использованы следующие приборы и оборудование: 1. Установка ТМ-21 для определения углов трения мелких сыпучих материалов. і 2. Ящик для определения углов естественного откоса мелких сыпучих материалов. 3. Экспериментальная установка. 4. Фотоаппарат (Зенит). 5. Весы промышленные электронные (МК-51). 6. Секундомер. 7. Сушильный шкаф и эксикатор для определения влажности материала. 8. Штангенциркуль. 9. Набор оборудования для определения влажности материала. 10. Транспортир.
Основной частью установки (рис.3.1) является плоскость - швеллер, смонтированный на станине. При помощи маховика, через специальную рукоятку, расположенную в верхней части станины, плоскость можно устанавливать под различными углами к горизонту. На станине расположена шкала для грубой установки углов наклона плоскости. Точная установка углов наклона осуществляется при помощи квадранта. Отсчет углов производится в момент срабатывания электросекундомера от импульсов, когда исследуемы образец при своем сдвиге замыкает контакт в электрической цепи.
Экспериментальная установка предназначена для изучения процесса истечения и сводообразования мелких сыпучих материалов в бункерах с различными углами наклона стенок бункера к вертикали. При измеренных определенных параметрах влажности сыпучего материала.
Установка представляет собой модель бункера, выполненного в масштабе 1:40. Передняя стенка выполнена из оргстекла для визуального наблюдения процессов, происходящих в бункере. Стенки бункера выполнены двойными. Внутренние стенки закреплены шарнирно, что позволяет менять угол наклона стенок бункера к вертикали. В процессе проведения опытов бункера состояло из двух раздвижных пластин, что позволяло изменять размер выпускного отверстия в процессе проведения опытов. На нижней части бункера была нанесена размерная шкала, позволяющая быстро определять и устанавливать необходимый размер выпускного отверстия.
Сушильный шкаф использовался для определения влажности мелкого сыпучего материала по существующей методике. Фотоаппарат предназначался для визуальной фиксации процессов, происходящих в бункере.
Весы промышленные (рис. 3.4)предназначались для определения массы засыпаемого в бункер материала и определения массовых долей материала, высыпавшихся из бункера в различные моменты времени, а именно в момент открытия заслонки, до момента образования первого статического свода; между двумя ближайшими образовавшимися статическими сводами; после истечения основной массы материала и массы, оставшейся на стенках бункера.
Секундомер предназначался для определения временных интервалов в процессе истечения и статического сводообразования, в соответствии с массовыми долями, истекающего сыпучего материала.
Штангенциркуль использовался при определении размеров выпускного отверстия бункера.
С помощью транспортира определяли угол наклона стенок бункера к вертикали, а так же углы естественного откоса сыпучего материала. Все замеры, производимые в процессе проведения опытов, заносились в журнал наблюдений с фиксацией тех условий при которых проводился эксперимент.
Оценка адекватности количественных и качественных теоретических и экспериментальных характеристик процесса истечения и сводообразования мелких сыпучих материалов.
Определение рациональных технологических параметров бункеров, а так же параметров и режимов работы технических средств, интенсифицирующих выгрузку из бункеров мелких сыпучих материалов и способствующих формированию потоков мелких сыпучих материалов одинаковой во времени плотности.
В соответствии с принятой моделью сыпучего тела были изучены физико-механические свойства мелких сыпучих материалов, подчиняющихся закону сухого трения (закону Кулона). Диапазон влажности измеряемых материалов находится в пределах от 2,5 до 10%. Угол трения определяется на установке ТМ-21 в статическом положении сыпучего материала и в движении его. С этой целью были изготовлены бруски размером 110x50x25 мм, которые покрывали пластилином с целью удержания частиц исследуемого материала.
Очищенные и просушенные бюксы помещают до полного их охлаждения в эксикатор, примерно, на 20 минут (но не более 2 часов). В выделенном материале определяют влажность на электровлагомерах для выбора варианта метода и определения метода подсушивания.
Перед началом определения влажности материал тщательно подсушивают, встряхивая сосуд в различных плоскостях и направлениях. В подсушенную и взвешенную бюксу из подготовленного материала для определения влажности из различных мест (по высоте, из середины и по периметру) отбирают совком навеску массой (20+0,1) г. Бюксу закрывают и взвешивают до второго десятичного знака. Перед подсушиванием сушильный шкаф разогревают до температуры 110С. Бюксы с навесками материала помещают в сушильный шкаф при указанной температуре и сушат при 130С.
Влияние физико-механических свойств мелких сыпучих материалов на процесс их истечения из бункеров
В работе рассматривается мелкие сыпучие материалы в конечной стадии их изготовления, а именно; дерть пшеничная, ячменная, овсяная, отруби.
Изучение механических свойств мелких сыпучих материалов не может быть отделено от определения их физических характеристик, так как они взаимосвязаны.
Различия между характерами связей между частицами различных материалов обуславливают значения показателей их физических свойств, изменяющихся в зависимости от типа материала. Наиболее важными физическими свойствами сыпучих, с точки зрения их познания являются: плотность, гранулометрический состав, форма частиц, их макроструктура и влажность.
Дерть — это продукт, получаемый при дроблении зерна. Она используется в качестве основного сырья при кормлении животных. Дерть представляет собой смесь частиц различных размеров, величина которых колеблется в пределах 0,01-1 мм и выше в зависимости от качества помола.
К физико-механическим качествам относятся: количество и качество в ней клейковины, кислотность, и содержание крахмала.
Минеральные примеси определяют в том случае, если в ней содержится более или менее значительное количество минеральной примеси (более 0,01). При разжевывании на зубах ощущается хруст, что и служит основанием для браковки по наличию минеральных примесей.
Под крупностью понимается процентное содержание в остатке и проходе сит, установленных набором (из двух сит) для каждого вида помола, в соответствии с действующими стандартами. Крупность помола один из основных признаков качества дробления данного сыпучего материала.
Крупность определяется по массе прохода сквозь шелковое сито №25 и массе схода сита № 64 при просеивании 100 г.
Дерть влажностью выше 16% предварительно до определения крупности помола подсушивают до влажности 15-16% на листе бумаги при комнатной температуре, а во время подсушивания перемешивают. Допустимые отклонения при контрольных и арбитражных определений крупности помола должны быть не более: по остатку на сите 4%; по проходу через сито 6-8%.
Клейковина определяет пищевые достоинства дерти. Допускается переработка пшеницы с пониженным качеством клейковины с содержанием клейковины 20-23%.
Кислотность — важный показатель ее качества. При длительном хранении кислотность, как правило, повышается. Приблизительно величина нормальной кислотности в градусах для дерти 4-5, для отрубей - 6-6,5.
В результате экспериментальных исследований были получены важные данные об основных свойствах мелких сыпучих материалов. Эти данные свойств будут использованы в дальнейшем при изучении механики мелких сыпучих тел в бункерах.
Как известно, существует три вида истечения мелкого сыпучего материала из выпускного отверстия бункера — гидравлический, нормальный и смешанный. В сельскохозяйственных бункерах наибольшее распространение получил смешанный вид истечения, который наблюдается и в экспериментальном бункере при истечении различных мелких сыпучих материалов. Наблюдается преимущественно переход гидравлического в нормальный вид истечения.
Процесс истечения мелких сыпучих материалов в первую очередь зависит от физико-механических свойств материала, не в меньшей степени он зависит и от параметров и геометрической формы бункера (угла наклона стенок бункера, размера выпускного отверстия бункера, его геометрических параметров, материала бункера), а также зависит от внешних факторов воздействующих на материал (влажности и температуры воздуха).
Рассмотрим более подробно зависимость процесса истечения мелких сыпучих материалов от геометрии бункера. Измерения проводились при определенных, различных для каждого материала, значениях влажности материала, но, однако, в любом случае просматривается общая тенденция из истечения. данные таблицы указывают на то, что с увеличением угла а время истечения материала увеличивается, а масса материала выходящего из бункера за это время уменьшается. Обусловлено это тем, что с увеличением а гидравлический вид истечения материала переходит в нормальный, при котором внешний угол трения материала о стенку бункера ( р) становится меньше приведенного утла трения материала .
