2.7. Побудители для стабилизации
истечения в емкостях
Слеживание сыпучих грузов в емкостях, как правило, вызывается
несколькими причинами. Прежде всего, на слеживание оказывает
влияние давление верхних слоев груза, время хранения и гигроско-
пичность груза. К числу причин слеживания также можно отнести
вибрацию при перевозке сыпучих грузов в кузовах различными видами
транспорта. В результате действия факторов, сопровождающих про-
цесс перевозки, слеживание ускоряется и может произойти за мень-
шее время, чем продолжительность перевозки. Нижние слои груза ис-
пытывают большее давление по сравнению с верхними, поэтому сле-
живание начинается именно с этих слоев. На практике, однако, на-
блюдается уплотнение не только нижних, но и верхних слоев сыпучего
груза, поэтому давление не является единственной причиной слежи-
вания.
Существующая технология погрузочно-разгрузочных работ с
трудносыпучими грузами подразумевает их истечение, которое в
большинстве случаев удается организовать только с применением
специальных побуждающих устройств. Эффективность применения
того или иного вида побудителя зависит от места его установки, гео-
метрических параметров емкости и физико-механических свойств гру-
за.
Огромное количество отечественных и зарубежных конструкций
побудителей, призванных обеспечить устойчивый и бесперебойный
выпуск груза, вызвано многообразием емкостей, используемых для
хранения и выпуска, а также значительными отличиями в физико-
механических свойствах трудносыпучих грузов.
Существующие конструкции побудителей можно классифициро-
вать по следующим характерным признакам (рис.2.91):
- виду действия на грузы;
- исполнению сводообрушителя;
- диапазону применения.
По виду воздействия на груз побудители можно разделить на
механические, вибрационные и пневматические.
Механические побудители. Устройства, позволяющие переда-
вать энергию грузу с помощью поступательного, вращательного, кри-
волинейного движения рабочих органов, являются механическими по-
будителями.
Типичным примером обрушения сводов в емкостях является
ручная или механическая шуровка. В первом случае в корпусе емко-
сти высверливаются технологические отверстия, куда вставляют лом
и производят возвратно-поступательные движения до возобновления
истечения груза (рис. 2.92). В случае механической шуровки применя-
ются подвешенные на тросах или цепях внутри емкости конструкции,
которые приводятся в возвратно-поступательное движение электро-
или ручной лебедкой.
Негативной стороной указанного метода является возможность
129
опускания груза только под действием собственного веса. Это обстоя-
тельство при значительной высоте засыпки груза в емкости препятст-
вует разрушению сводов.
Снизить вероятность сводообразования трудносыпучих грузов,
не боящихся крошения, возможно при размещении в бункере или вне
его шнековых побудителей, к преимуществам которых относится ком-
пактность, простота конструкции, герметичность. Шнековый питатель
представляет собой винт, размещенный в кожухе, при вращении кото-
рого осуществляется перемещение сыпучего груза по кожуху.
Установленный в нижней части воронки 1 шнековый питатель 2 с
приводом 3 (рис.2.93,а), позволяет производить разгрузку, но не мо-
жет воздействовать на своды, образующиеся, как правило, выше, у
основания конуса.
Бункерное устройство, предназначенное для хранения и выгруз-
ки сыпучих грузов (рис.2.93,б), имеет разгрузочное устройство в виде
Рис.2.91. Классификация побудителей в бункерных устройствах
ПО ВИДУ ВОЗДЕЙСТВИЯ
МЕХАНИЧЕСКОЕ ВИБРАЦИОННОЕ ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ
КОЛОКОЛЬНЫЕ
МЕМБРАННЫЕ
ПОДВИЖНЫЕ ЩИТЫ
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПОДУШКИ
ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЕ
СВОДОРАЗРУШИТЕЛИ
СОПЛА
ПЕРФОРИРОВАННЫЕ ТРУБЫ
АЭРОДНИЩА
ПО РЕЖИМУ РАБОТЫ СВОДООБРУШИТЕЛЯ
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ СЕЛЕКТИВНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ
ПО ДИАПАЗОНУ ПРИМЕНЕНИЯ
ЛОКАЛЬНО ВО ВСЕЙ ПОЛОСТИ ХРАНИЛИЩА
ЛОПАСНОЙ ПОБУДИТЕЛЬ
СКРЕБКОВЫЙ ПИТАТЕЛЬ-
ПОБУДИТЕЛЬ
ШТАНГОВЫЙ ПИТАТЕЛЬ-
ПОБУДИТЕЛЬ
РЫЧАЖНЫЙ ПОБУДИТЕЛЬ
ПОБУДИТЕЛИ
пружин 1, которые благодаря своей гибкости обладает сложной траек-
130
торией движения. Исполнительный орган устройства – спиральная
пружина - работает под слоем материала и в случае поломки стано-
вится недоступным для ремонта.
Основными недостатками шнекового и спирального побудителей
является высокая энергоемкость, частые поломки, использование в
конструкции дорогостоящих высокопрочных материалов.
При выпуске сыпучего груза из емкости для восстановления ис-
течения применяют центральную трубчатую штангу 1, имеющую шне-
ковое оперение 2 типа сверла (рис.2.93,в). При образовании свода его
разрушение достигается сверлением. Из-за значительной высоты ем-
костей для хранения сыпучих грузов (до 40м), штанга должна быть та-
кой же длины.
Установка побудителей в наиболее вероятной зоне образования
сводов является одним из возможных способов стабилизации процес-
са истечения. В области выпускной воронки силоса помещают гори-
зонтальный или вертикальный вал с лопастями. Считается, что гори-
зонтальный вал эффективен для слеживающихся и гигроскопичных
материалов, а вертикальный – для мелкозернистых и пылевидных.
Рис.2.92.
Конструктивная
схема ручной
шуровки:
1- корпус бункера;
2- зависший груз;
3- отверстия для
ручной шуровки;
4- лом или шест
1
2
3
4
Рис.2.93. Емкости, оснащенные: а– шнековым
питателем; б– пружинным побудителем; в–
вращающейся штангой с оперением типа сверла;
г– горизонтальными валами-мешалками
а
1
2
3
б
1
г
в
1
2
1
2
В производстве используется сводообрушающее устройство для
131
песка, состоящее из валов 1 с билами 2 и смонтированное на кониче-
ской части бункера (рис.2.93,г). Вал установлен горизонтально по от-
ношению к выпускному отверстию бункера и имеет три больших и два
малых била. Вращение валу передается от электродвигателя мощно-
стью 2,8 кВт через червячный редуктор и клиноременную передачу.
Установка бил под углом 450 к оси вала в бункере емкостью 12 м3 с
песком влажностью 4 и 8 % обеспечивает наиболее эффективное его
разрыхление и предотвращение образования сводов в нижней части
бункера. Однако в некоторых случаях свод образуется выше вала с
билами. Поэтому для надежного обрушения сводов необходимо уста-
навливать вибраторы над лопастным валом или располагать на раз-
ных уровнях по высоте бункера несколько лопастных валов.
В бункерах для цемента применяют механический сводообруши-
тель в виде замкнутой движущейся цепи, непрерывно перемешиваю-
щей сыпучий груз (рис. 2.94,а). По данным конструкторского бюро,
спроектировавшего это устройство, потребная мощность привода для
работы побудителя составляет 1,7 кВт. Нередко встречается приме-
нение движущейся пространственной решетки различной конфигура-
ции внутри емкости (рис. 2.94,б). Место расположения решетки, как
правило, ограничивается местами наиболее вероятного образования
свода (по результатам предварительного наблюдения).
Работа побудителей в слое материала требует высокой энерго-
емкости, а их устройство обладает невысокой надежностью. Общий
недостаток всех вышеперечисленных конструкций – это препятствие
гравитационному выпуску материала при неработающем побудителе.
Следующее устройство для сводообрушения трудносыпучих ма-
териалов в бункерах лишено этого недостатка (рис. 2.94,в). Оно со-
стоит из установленно-
го на вращающемся
валу рассекающего ко-
нуса с шарнирно за-
крепленными лопастя-
ми. В нерабочем поло-
жении лопасти опуска-
ются вдоль вала, не
создавая препятствий
гравитационному исте-
чению.
Механические
сводообрушающие уст-
ройства являются эф-
фективным средством
борьбы со сводообра-
зованием сыпучих гру-
зов в емкостях, так как они разрыхляют материал и препятствуют его
Рис.2.94. Емкости, оснащенные:
а – движущейся цепью; 1- цепь; 2 - вращающиеся
звездочки; б – движущейся пространственной
решеткой; в – рассекающим конусом с шарнирно
закрепленными лопастями
1
2
а б в
132
слеживанию. Однако учитывая значительную энергоемкость и боль-
шие затраты на изготовление механических побудителей, целесооб-
разно использовать их только в том случае, когда другие типы побу-
дителей (пневматические, вибрационные) не способны обеспечить
бесперебойное истечение сыпучих грузов из емкости.
Пневматические побудители. Широкое применение в бунке-
рах и силосах нашли пневматические побудители, особенностью ко-
торых является минимальное количество движущихся деталей, кон-
тактирующих с сыпучим материалом. Пневматические устройства мо-
гут воздействовать на сыпучий материал либо непосредственно, либо
при помощи эластичных контуров, передавая энергию сыпучему мате-
риалу, заставляя двигаться его в нужном направлении. Однако эф-
фективность пневмосистемы во многом зависит от точности ее расче-
та, а непременным условием ее работы является очистка воздуха, по-
дающегося в полость емкости, от влаги и масла, а выходящего - от
пыли. Впервые в 1952 г. французская фирма «Кологью» применила
для ликвидации зависаний угля в бункерах пневматические подушки,
входящие в эту группу побудителей.
Пневмосистема может быть представлена в виде эластичных
элементов (гибкие резиновые подушки), закрепленных внутри полости
бункера в местах наиболее вероятного залегания материала. Под
действием давления воздуха происходит увеличение их объема, и та-
ким образом они отбрасывают материал от стенок бункера. Усилие,
получаемое при давлении 4 атм, составляет примерно 30 т на подуш-
ку и считается достаточным для обрушения любого зависшего мате-
риала. Движение сыпучего материала достигается периодическим ма-
нипулированием объема надувных подушек. Располагают их, как пра-
вило, в шахматном порядке (рис.2.95,а). Они должны принимать свое
исходное положение при прекращении подачи воздуха, именно в та-
ком положении следует производить загрузку бункера. Включение
эластичных подушек при полностью загруженном бункере способству-
ет уплотнению (спресовыванию) материала, поэтому эффективная
работа пневмоподушек достигается при частично опорожненном бун-
кере. Применению пневмоподушек в бункере с углем сопутствует их
сильный износ, что является характерным недостатком данного вида
побудителей.
Пневматическое разгрузочное устройство бункера в виде порис-
того днища, с нижней стороны которого подается сжатый воздух,
представлено на рис.2.95,б. Оно позволяет аэрировать груз в области
выпускной воронки, что улучшает истечение дисперсных грузов из ци-
линдрических бункеров диаметром от 1,8 до 2,4 м. В качестве порис-
тых элементов применяют ткань различных видов, керамические, дре-
весные и синтетические плитки с активной поверхностью.
Для выгрузки из силосов цемента, алюминиевого порошка, мела
133
и т. д. применяют аэрационные коробки. Вариант оснащения днища
силоса с углом наклона 10…150 аэрокоробками изображен на
рис.2.95,в. Принцип работы аэрокоробки состоит в применении пере-
городки из пористого материала, через который проходит сжатый воз-
дух и аэрирует груз, улучшая его подвижность. Для изготовления аэ-
рокоробок используют такие материалы как лавсан, капрон и другие
синтетические ткани. Расход воздуха для аэрирования на материалах
с различными свойствами составляет от 0,3 до 3 м3/мин с 1м2 аэри-
руемой поверхности. Минимальная площадь аэрирования зависит от
диаметра емкости, числа выпускных отверстий, конструктивного ис-
полнения днища, количества загруженного материала и его свойств, а
также степени опорожнения емкости. С увеличением площади дна си-
лоса следует пропорционально увеличивать площадь аэрирующей
системы. С другой стороны, увеличивая число выпускных отверстий
можно достичь снижения общей площади аэрирующих элементов, но
при этом необходимо учитывать возможное удорожание процесса
хранения и переработки материала за счет появления дополнитель-
ных питающих и транспортирующих устройств.
Аэрирование все же нельзя отнести к эффективным способам
борьбы со слеживанием. Осуществление этого способа требует до-
полнительного и довольно сложного оборудования. Распыление воз-
духа происходит в емкости с грузом, например с отрубями. Когда сис-
тема подачи воздуха не работает, выходные сечения воздушных со-
пел забиваются пылевидной фракцией груза. При включении системы
эти сопла не функционируют и не выполняют своего назначения –
борьбы со слеживанием. Для аэрации сыпучих материалов требуются
прочные пористые материалы с определенной воздухопроницаемо-
стью. Однако в процессе эксплуатации они забиваются, теряют свои
свойства и требуют замены.
Другим направлением по подавлению сводообразования в по-
лости емкостей пневмосистемой является использование «стреляю-
щих» сопел. Применение пневматических сопел упрощает конструк-
цию и повышает эффективность сводообрушения при работе с мел-
кофракционными сыпучими материалами. Работа системы осуществ-
ляется при резком открытии клапана сопла, через которое под давле-
нием 4…6 атм вводится воздух, создавая перед собой ударную волну,
разрушающую образовавшийся свод.
Схема установки пневмообрушения стреляющими соплами, рас-
положенными в несколько ярусов, представлена на рис.2.95,г. Управ-
ление соплами осуществляется, как правило, автоматически и преду-
сматривает поочередное включение ярусов, начиная с нижнего.
Метод обрушения сводов с использованием пневматических со-
пел нельзя признать полностью удовлетворительным, так как в неко-
торых случаях струя воздуха не может разрушить нижнюю поверх-
ность свода. Иногда сжатый воздух давлением даже в 7 атм не может
134
пробить толщу цемента и разрыхлить его.
Для сводообрушения в емкостях с цементом разработан и испы-
тан воздушно-реактивный побудитель. Он состоит из резинотканевого
шланга длиной до 2,5 м и диаметром 23…38 мм, на его конце закреп-
лено алюминиевое колено с соплом (рис.2.95,д). Побудитель устанав-
ливают в полости бункера или силоса так, чтобы шланг находился в
вертикальном положении. При прохождении сжатого воздуха через
шланг, колено и сопло возникают реактивные силы, которые застав-
ляют побудитель двигаться хаотично. Таким образом, сводообруши-
тель воздействует на свод посредством хаотических движений и воз-
душной струи, выходящей из сопла.
К панели автоматики
Из подушки
В подушку
Импульс от
машинного реле
От
компрессора
В атмосферу
1
2
3
а
г
Рис.2.95. Пневматические побудители:
а - схема автоматизации управления пневматическими
подушками; 1 – указатель зависания материала; 2 –
подушка; 3 – бункер; 4 – электропневматический
вентиль; б – бункер с пористым днищем; в – вариант
размещения аэрокоробок на дне бункера; г –
«стреляющие сопла»; д – реактивный шланг
в
Сжатый воздух
б
Воздух
д
Несмотря на высокую эффективность, использование сжатого
135
воздуха необходимой влажности и чистоты требует значительных за-
трат, в некоторых случаях превышающих эффективность процесса
сводоразрушения. Постоянный контроль за работой пневмосистемы
ощутимо снижает ее привлекательность для реализации в промыш-
ленности и на транспорте.
Вибрационные побудители. С целью улучшения текучести
сыпучих грузов практикуется применение вибрационных устройств, ус-
танавливаемых в местах предполагаемого сводообразования. Прин-
цип действия вибрационных побудителей основан на том, что под
действием вибрации резко меняются физико-механические свойства
груза, например, коэффициент трения песка по стали и коэффициент
внутреннего трения снижаются в 40 и более раз.
По применяемой энергии различают следующие виды вибрато-
ров:
- электромеханические, в которых вибрация происходит за счет
вращения дебалансов, установленных на валу электродвигателя;
- электромагнитные, в которых колебания совершаются с помощью
электромагнитов постоянного и переменного тока;
- пневматические, работающие при помощи сжатого воздуха.
Для обрушения сводов с помощью вибраторов необходимо знать
величину распространения колебаний, которая зависит от конструкции
емкости и физико-механических свойств его содержимого. Интенсив-
ность колебаний в материале убывает относительно быстро. Иссле-
дования показывают, что прямолинейные колебания от электромаг-
нитных вибраторов распространяются в песке на расстояние до 1,5 м.
Вибрационные устройства выполняются с передачей вибрации
на стенки емкости и с вибрирующим рабочим органом, находящимся в
толще материала. Из-за разности скоростей движения частиц по се-
чению емкости при открытом выпускном отверстии вибрация всей ем-
кости может привести к значительному уплотнению материала. По-
этому метод разрушения сводов с использованием вибраторов, на-
кладывающихся на стенки бункера может быть рекомендован только
для бункеров малой емкости с небольшой толщиной стенок.
Для ликвидации сводообразований в бункерах используется ме-
ханизм, основанный на силовом воздействии на зависший сыпучий
груз с помощью колебательных движений щитов, смонтированных на
противоположных стенках выпускной воронки бункера (рис.2.96,а).
Щиты приводятся в движение от гидроцилиндров. Подача масла в
гидроцилиндры осуществляется от насоса производительностью 250
л/мин при рабочем давлении 25 кг/см2. Усилие, развиваемое щитом
при этом давлении, равно 15 т. Амплитуда перемещения щита со-
ставляет 200 мм. Система работает таким образом, что когда один
щит движется вверх, второй опускается вниз. Импульсы для переклю-
чения электромагнитного золотника посылает датчик импульсов. Вре-
мя цикла работы сводообрушителя регулируется в пределах 0,4…2,7
136
мин.
Удары, наносимые по стенке емкости с помощью электромагни-
та, изменяют пористость мелкофракционных грузов и его состояние,
способствуя его истечению. Монтировать вибраторы рекомендуется в
местах критического сводообразования на наружных стенках емкости
(для бункеров, изготовленных из металла) или на так называемой
«ложной стенке», представляющей собой металлический лист, раз-
мещенный в полости емкости и связанный с вибратором, находящим-
ся снаружи, посредством штока (для бункеров, изготовленных из бе-
тона).
Длительная эксплуатация емкостей для сыпучих грузов показа-
ла, что в материалах с различными физико-механическими свойства-
ми места образования сводов находятся в емкости на разной высоте.
Установка вибратора в определенном месте ограничивает номенкла-
туру грузов, на которых его применение эффективно. Также необхо-
димо учитывать вероятность уплотнения трудносыпучих материалов
под действием вибрации, причем горизонтальная вибрация придает
большее уплотнение, чем вертикальная. Избежать этого процесса
можно, задав механизму режим работы с большой амплитудой и низ-
кой частотой. В бункерах большой емкости не рекомендуется приме-
нение мощных вибраторов, т. к. это может привести к разрушению ем-
кости и/или фундамента. Известно также, что вибрация оказывает не-
гативное влияние на организм человека.
Мембранный вибрационный сводообрушитель (фирмы «Си-
некс», Англия) используют для предупреждения сводообразования
трудносыпучих грузов (рис. 2.96,б). Мембрана в виде металлической
пластины, на верхней части которой установлен вибровозбудитель,
находится внутри бункера. Пластина через резиновые амортизаторы
крепится к балке, расположенной на бункере. При его включении пла-
стина совершает колебания, разрушая образовавшийся свод. Во
время выпуска материала из бункера вибровозбудитель нельзя вы-
ключать, иначе пластина может воспрепятствовать истечению.
Определенный интерес вызывает решетка, изготовленная из
вибростойкой стали, подвешенная на тягах внутри бункера и имею-
щая связь с вибратором (рис.2.96,в). От вибратора, вынесенного за
пределы бункера, решетка получает колебания через штангу. Вибри-
руя, она придает подвижность сыпучему грузу, находящемуся в бунке-
ре. Значительная нагрузка на решетку, возникающая в бункерах
большой емкости, увеличивает энергоемкость процесса и способству-
ет интенсивному ее износу.
На рис.2.96,г представлен вибрационный сводообрушитель с ак-
тивным органом в виде штанги, оснащенной радиальными ворошите-
лями. Штанга может перемещаться в вертикальной плоскости, раз-
рыхляя сыпучий материал во всей полости бункера.
Большая энергоемкость устройств, работающих в слое материа-
137
ла, ограничивает их широкое распространение.
Известны случаи применения звукового генератора для обруше-
ния сводов. Излучая звуковые волны, генератор заставляет колебать-
ся частицы сыпучего материала.
Колокольный вибратор (рис.2.96,д), подвешенный на стальном
тросу внутри полости бункера, предупреждает образование сводов.
Использование вибраторов этого типа в емкостях большой высоты
может привести к аварии
вследствие обрыва троса.
Необходимым услови-
ем выпуска груза из емкости,
оснащенной вибратором,
является его постоянное
функционирование. Вибро-
побудители следует распо-
лагать только в зоне эффек-
тивного движения материа-
ла, так как вибрация непод-
вижного материала приве-
дет к его уплотнению. В от-
ключенном состоянии виб-
ратор становится опорой
для образования сводов.
Применение таких уст-
ройств, как вибраторы,
пневматические «стреляю-
щие» сопла и т. п., неблаго-
приятно отражается на
прочности конструкций хра-
нилищ и может преждевре-
менно вывести их из строя.
Большинство побудитель-
ных устройств (виброполо-
сы, виброштанги с попере-
чинами, механические во-
рошители вертикального и
горизонтального типов) эф-
фективны лишь в неглубоких
емкостях высотой 2…6 м.
В настоящее время
сложилось два основных на-
правления для обеспечения
бесперебойной выгрузки сы-
пучих грузов из емкостей:
1. Стремление предотвратить возникновение сводов, что мо-
Рис.2.96. Вибрационные побудители:
а– побудитель в виде гидравлических
виброщитов;1– бункер; 2– щит;3–
гидроцилиндр; 4– запорное устройство;
б– мембранный сводообрушитель; 1–
виброгенератор; в- побудитель в виде
вибрационной решетки; 1- решетка; 2-
виброгенератор; г– вибрационный побудитель
в виде штанги с радиальными ворошителями;
д– колокольный вибропобудитель
1
3
4
К насосу
а
б
1
1 2
в
г д
2
138
жет быть достигнуто правильным выбором параметров емкости.
2. Разрушение образовавшихся сводов с применением раз-
личных сводообрушающих устройств.
Оба направления актуальны, однако наиболее прогрессивно
первое направление, так как лучше предотвратить сводообразование,
чем бороться с ним. Выбор средств для разрушения образовавшихся
в емкости сводов зависит от физико-механических свойств материала
и параметров самой емкости.
