Бункеры и самотечный транспорт

Вспомогательные устройства: бункеры и спуски, скатные доски, лотки и трубы применяют в цепи других транспортирующих меха­низмов при комплексной механизации производственного процесса (кормоцех, зерноочистительный ток, зернохранилище, сельскохо­зяйственные машины). На практике важно управлять при заданном ритме процесса скоростью транспортирования и выгрузки сыпучих грузов средства­ми самотечного транспорта и бункерами: кормораздача, смешива­ние материалов, переработка и очистка и т. п.  

Бункеры
Бункеры — емкости различных форм и назначения, по конст­рукции различают простые и составные. Простые бункеры бывают призматические, клиновидные, пирамидальные, цилиндрические, конусные и параболоидные. Бункеры небольшой вместимости и высоты делают в виде про­стых. В сельскохозяйственном производстве чаще применяют бун­керы призматической, клиновидной или цилиндро-конической фор­мы. Бункеры параболической формы наиболее благоприятны для  последующего обеспечения производства; По назначению различают бункеры: сборочные, или резервные, в которые груз поступает непрерыв­но, а выгружается периодически; выполняют роль накопителей для последующего обеспечения производства; распределительные, заполняемые грузом периодически при не­прерывной выгрузке (бункер сеялок, зерноочистительных машин, в кормоцехах); погрузочные, или пересыпные, наполняемые по мере поступле­ния материала и разгружаемые в зависимости от вместимости транспортных средств; хранилища, используемые для хранения продукта с разгрузкой и загрузкой по мере необходимости. Вместимость бункера определяется ритмом технологического процесса, вместимостью и частотой подачи транспортных средств. Для гарантии непрерывности процесса устанавливают дополни­тельные уравнительные бункеры (компенсаторы). Бункеры различают самостоятельные и встроенные, а по режи­му — непрерывного и периодического действия. Достоинство бункерных устройств — разгрузка самотеком. Наиболее распространенным материалом для бункеров служат листовая сталь, железобетон и дерево. Имеются бункеры, собирае­мые из проволочной сетки, обтянутой внутри плотной материей. Отверстия для истечения груза (круглые, квадратные, прямо­угольные и щелевидные) делают в днище или в стенке бункера. Каждый бункер имеет затвор для регулирования или прекра­щения выпуска груза. При связных грузах (силос, соломенная сечка, кормосмеси, влажное зерно) бункеры снабжают побудите­лями истечения в виде шуровочных отверстий, ворошилок, питате­лей, вибрационных устройств, продувки воздухом. 

Основы теории и расчета бункера
Процесс истечения грузов из бункеров сложен и до сих пор со­ставляет предмет исследования. Истечение груза зависит от физико- механических свойств, состояния поверхностей частиц груза и бун­кера, геометрических размеров и формы бункера и отверстия и др. В работе бункера различают: заполнение; начало истечения соответствует переходному периоду; установившееся истечение при постоянном и переменном уровне; выгрузка. Наибольший интерес представляет процесс установившегося истечения, который имеет два вида — нормальный и гидравличе­ский; при определенных условиях возможен смешанный вид исте­чения. При нормальном истечении (рис. 85, а и б) движение материа­ла происходит в пределах определенного канала, расположенного над выходным отверстием. Весь остальной материал при этом остается в покое. Этот вид истечения наблюдается у более связ­ных грузов. При гидравлическом истечении (рис. 85, в) весь материал, на­ходящийся в бункере, приходит в движение при начале выгрузки. Питание истечения происходит за счет обрушения материала в зо­не над выходным отверстием; эту зону называют объемом об­рушения. Такой вид истечения возможен для грузов с малым ко­эффициентом внутреннего трения при угле наклона боковых сте­нок бункера б, на 5... 10% большем угла естественного откоса груза. Нормальная эксплуатация бункеров достигается правильным выбором геометрических параметров: угла наклона стенок б, раз­мера выходного отверстия. На связных грузах возможно заклини­вание массы материала, а на зернистом и кусковом грузах — сводообразование (рис. 85,г).

где л — коэффициент истечения, учитывающий влияние сил внут­реннего трения, трения о стенки отверстия и т. п. Практические расчеты по формуле (258) можно провести для  двух видов истечения: при нормальном истечении, когда выходное отверстие сравнительно мало с размерами бункера и давление над отверсти­ем относится к виду местных напряжений в грузе, которые значи­тельно меньше гидростатического. Это давление (напряжение) определяют по формуле у = хgгR_г, где — зависит от коэффициента внутреннего трения f_в, равного для распространенных грузов 1,б.

Подставив значение у в формулу (258), получим

Коэффициент истечения л рекомендуется: для хорошо сыпучих, порошкообразных и зернистых грузов — 0,55...0,65; кусковых — 0,3...0,5; пылевидных, влажных порошкообразных и зернистых с содержанием пыли — 0,2...0,25. Величина гидравлического радиуса R_г = F : P — отношение пло­щади отверстия к его периметру — для круглого и квадратного отверстий R_г = 0,25d; для прямоугольного R_г = 0,5ab/(а + b), где а и b размеры сторон; при гидравлическом истечении груз истекает подоб­но жидкости. Приняв среднее гидростатическое давление р= gгH = у и подставив в формулу (258), получим

где Н — высота слоя груза, м. Учитывая влияние отношения площадей выходного отверстия и бункера F : fe, получим  

где л₀ = 0,6...0,7 — коэффициент истечения. Производительность истечения бункера через выходное отвер­стие, расположенное в центре бункера, где k_п = 0,8...1,0 — коэффициент производительности, учитывающий влияние уменьшения площади выходного отверстия и рассредото­чения частиц в зоне истечения. Ориентировочно площадь выходного отверстия с учетом умень­шения для круглого отверстия F = 0,785(d — a₀)² и квадратного F= (а — а₀)², где а₀ — наибольший размер частицы груза. При расположении отверстий в стенке, у стенки или в углу дни­ща бункера производительность возрастает на 10...20%. Силы и давление, действующие на бункер. Бункеры в процес­се работы испытывают воздействие сил: от массы груза, от собст­венной массы, от дополнительных (внутренних) сил, от неравно­мерной загрузки и от ветровой нагрузки. Эффект воздействия этих сил на бункер  зависит от рода и состояния груза, геометрических размеров бункера и условий работы. В зависимости от этого при проектировании следует рассчитывать прочность стенок бункера, рамы, опорных устройств и, наконец, устойчивость бункера. В бункере от груза действуют нагрузки: начальная — при за­грузке без истечения; переходная — при открытии и закрытии за­слонки (затвора) и рабочая — при установившемся истечении. Под действием этих нагрузок днище и стенки бункера испыты­вают статическое давление по Янсену:

где Н и D — соответственно высота насыпного груза и диаметр бункера; л = (2...4)k_ctgц — коэффициент в показателе экспо­ненты. Величина k_c, характеризующая сыпучесть груза, зависит от го­ризонтального р и вертикального р_h давлений. Ее подсчитывают по формуле

где ц₁ — угол естественного откоса материала. Для бункеров малой высоты Н давление на стенки можно опре­делять приближенно: p = у = k_cгH (263) Эпюра статического давления на стенки бункера, подсчитанного по формулам (262) и (263), показана штриховой линией на рисун­ке 87, б. В условиях начала и установившегося истечения величина дав­ления в различных элементах бункера и распределение его изменя­ются. Теоретическая интерпретация процесса перераспределения давления представлена сплошной линией. На рисунке видно, что в зоне перехода цилиндрической части в коническую давление рез­ко возрастает до ртах. Опыт подтверждает повышение давления при установившем­ся истечении, но реальные условия действия его приводят к сгла­живанию эпюры, что видно на рисунке 87, в. Увеличение давления на стенки при истечении по сравнению с давлением, определяемым по формуле (262), является общим мнением исследователей, но абсолютные величины зависят от свойств груза и условий проведе­ния опытов. В дополнительное давление входит составляющая от динамики образования и последующего разрушения свода. Величина этого давления 30...40% от полного среднего давления при установив­шемся истечении. Скорости загрузки бункера и истечения из него груза не ока­зывают заметного влияния на давление на стенки. ГОСТ рекомендует вести расчет наиболее нагруженных поясов бункера на удвоенное статическое давление, определяемое по формулам (262) и (263). При эксцентричном положении отверстия (рис. 88) давление на стенки возрастает: для квадратного бункера p_e = е₁p;            е₁ = A₀ + 2e/(A₀ + e);     для круглого p_e = е₂p;            е₂ = (рD + 8e)(рD + 4e);     Таким образом, эксцентрично расположенные отверстия созда­ют условия для возникновения моментов, действующих в верти­кальной плоскости. Они могут возникать и вследствие неравномер­ной укладки груза в бункере, например силоса в башне. Во всех случаях боковые силы дополнительно нагружают стенки и могут способствовать опрокидыванию установки. Устойчивость, например, силосной башни (см. рис. 87,2) можно проверить, составив уравнение моментов относительно точки О возможного опрокидывания:

где gQ_e —момент от эксцентрично расположенного центра опо­ры массы силоса на дно при эксцентриситете; W — сила от ветровой нагрузки; gG_∑ — сила тяжести башни и фундамента. Практически плотность силоса колеблется в зависимости от глубины заложения: от величины насыпной массы свежего силоса до 960... 1000 кг/м³. Картина неравномерного распределения силоса по плотности показана на рисунке 87, г. Затворы. Перекрытие выпускных отверстий и регулирование истечения груза осуществляются затворами. Затворы (рис. 89) бывают плоские, секторные и лотковые. Привод в действие затворов бывает ручным и механическим. При ручном приводе для облегчения используют реечные и винто­вые механизмы. Усилие, необходимое для открывания плоского затвора, долж­но быть больше силы трения, возникающей на поверхности за­твора: Q ≥ P_вf и Q ≥ P_гf

Примечание. Большие значения Р принимают при х_н = 0, а меньшие при х_н ≥ 0

Роликовые спуски (рис. 91, в) применяют в кормоцехах, скла­дах, цехах ремонтных мастерских для перемещения корзин, тюков, ящиков, бидонов, бадей, узлов и деталей. Сравнительно малое со­противление роликовых спусков позволяет удлинять путь транс­портирования. Расчет сопротивления при транспортировании по роликовому спуску подобен расчетам в ленточных транспортерах. Устойчивое положение груза на роликах обеспечивается соот­ветствующей расстановкой их на расстоянии, равном (шаг) t = (0,3...0,2)l_г, где l_г — длина опорной поверхности груза. Меньшие значения t выбирают для грузов, не допускающих сотрясений. Меньшие сопротивления перемещению груза получают при более легких роликах и большем диаметре их. Ориентировочно уклон роликового спуска при условии х_к = х_н определяют по формуле

где n — число роликов, на которые опирается груз; G_p и G_r — соответственно масса роликов и груза;f_ц = 0,001...0,004 и м = 0,02 —соответственно коэффициент трения в цапфе и трения качения груза по роликам; d и D_p — соответственно диаметр цапфы и ролика. Величина вє угла наклона приведена в таблице 22. 

Таблица 22

Пропускная способность роликовых транспортеров, т/ч, опреде­ляется по формуле

Скорость перемещения груза

Следует учитывать, что первый груз начинает движение при стоящем ролике и соответственно большем сопротивлении переме­щению груза. Последующие грузы поступают на вращающиеся ролики. Подшипники качения в качестве опор роликов дают наимень­шее сопротивление и позволяют делать наименьшие углы подъема транспортера. Однако ролики с подшипниками скольжения из пластмассы проще и дешевле и могут работать во влажной среде. Винтовые спуски (рис. 91, а) применяют для транспортирования штучных грузов по вертикали. Угол подъема спирали винтового спуска должен быть больше угла трения груза по поверхности спуска, т. е. б₀>ц. Скорость груза, перемещающегося по винтовому спуску при действии силы тяжести, центробежной силы и сил трения о дно и борт желоба, определяют из уравнения

откуда

Для свободного прохода груза по винтовому спуску его наи­больший радиус определяется из геометрической зависимости

где а и b — размеры опорной площади груза; ∆ — гарантийный зазор; r — меньший радиус. Винтовые спуски можно выполнять роликами. Желоба и трубы для транспортировки сыпучих грузов бывают во форме трассы — прямолинейные и криволинейные и по попереч­ному сечению — прямоугольные, угловые, трапециевидные, круглые и полукруглые. Движение сыпучего груза по трубам сопровождается сопротив­лением от трения груза о стенки, от трения частиц между собой и воздушной среды. Сопротивление воздушной среды достигает за­метной величины при транспортировании груза по трубам, распо­ложенным под углом более 50°. Движение материала по лотку называется связанным, если он движется без внутреннего перемещения частиц относительно друг друга. Это движение обеспечивается условием ц < в < ц₀ , где ц, в и ц₀ — соответственно углы внешнего трения, наклона тру­бы, внутреннего трения.

Рис. 92. Схемы работы лотков:а — ускоряющий при Н₀=0; х_н=0; в₀> в > ц; б — постоянной скорости при в₀> в ≥ ц; в — замедляющий при Н₀=0; х_н >0; в₀ ≤ в ≤ ц.