Исследование динамики истечения сыпучих однородных материалов для повышения эффективности разгрузки отпускных бункеров в условиях длительного хранения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Минько Роман Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ИСТЕЧЕНИЯ СЫПУЧИХ

ОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗГРУЗКИ ОТПУСКНЫХ БУНКЕРОВ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0ЯНВ 2

Рыбинск-2013 005544297

005544297

материалов. Выполнен анализ технических решений, связанных с очисткой и стимулированием динамики разгрузки бункеров, определены основные недостатки современных устройств и способов разгрузки бункеров. Выявлено, что, несмотря на значительные успехи в данной области, недостаточно изучены динамические процессы истечения сыпучих однородных материалов в условиях длительного хранения и транспортировки.

Теоретическому и практическому изучению механики процессов истечения однородных сыпучих материалов посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Р. С. Аипова, Ю. В. Беляева, Т. А. Березина, В. А. Богомягких, А. М. Бондаренко, В. Б. Василькова, Ю. Н. Волгина, В. С. Горюшинского, С. И. Егорова, И. А. Жукова, Н. И. Ковалева, В. Л. Котова, Н. Н. Малинина, А. А. Мурашова, И. С Нагорского, Я. Г. Павленко, А. П Пепчука, А. Н. Романова, Л. Я. Степука, М. Н. Трубицина, С. В Ульянова; В. П. Франчука, А. Гали, Г. Клейна, Б. Ничборса, Д. Шелла, М. Швоглера и других.

В результате анализа основных направлений совершенствования процесса выгрузки определена классификация способов разгрузки слежавшихся однородных сыпучих материалов. Рассмотрены основные модели, отражающие динамику истечения однородных сыпучих материалов из емкостей длительного хранения. На основе оценки преимуществ и недостатков существующих методов разгрузки сделан вывод, что наиболее перспективным является механический способ разрушения слежавшихся сыпучих однородных материалов. Однако данный способ разрушения не имеет достаточно полного математического описания динамики взаимодействия слоя сыпучего груза с рабочим органом.

Таким образом, в настоящее время существует необходимость в создании математической модели, позволяющей исследовать динамику истечения сыпучих однородных материалов в емкостях хранения и транспортировки.

Вторая глава посвящена разработке модели и алгоритма, описывающего динамику истечения слежавшегося сыпучего материала в емкостях хранения и транспортировки.

При разработке модели приняты следующие допущения:

1. Сыпучий материал представляет собой совокупность твердых частиц, одинаковых по форме и физическим характеристикам.

2. Движение частиц материала происходит по траекториям, которые подчиняются одним и тем же законам.

3. В процессе движения сыпучего материала в случае превышения минимально допустимых усилий происходит взаимное перемещение отдельных частиц.

Форма образовавшихся сводов определяется сочетанием нескольких факторов. Считается, что материал разрушится только тогда, когда степень

300 600 900 ит

мин

Применительно к разработанному механизму должно выполняться условие: энергия неуравновешенных масс рабочего органа Ет должна быть не более определённого предела Епгтзх

0,5Мтт2кг < Ет. (7)

Тогда оптимальная частота вращения рабочего органа будет равна

(8)

График зависимости количества разгружаемого сыпучего материала от частоты вращения рабочего органа представлен на рисунке 6. Результаты экспериментальных исследований показали, что масса разгруженного материала прямопропорциональна квадрату скорости рабочего органа.

Бункерные устройства работают в тяжелых температурно-влажностных режимах, вследствие чего возникает «слеживаемость» сыпучих материалов. Например, в бункерах вагонов цементовоза образуется достаточно большой слой слежавшегося цемента, в результате чего производительность разгрузки существенно

снижается. Производственные испытания предложенных рабочих органов (рисунок 7) показали их высокую эффективность. Они способны разрушить даже такие слежавшиеся сыпучие материалы, как цемент.

Характеристики исследуемых сыпучих материалов представлены в таблице 1. Результаты

экспериментов подтвердили

гипотезу, что для стимулирования истечения сыпучего материала из бункеров и аналогичных емкостей достаточно разрушить основание свода материала.

Четвёртая глава посвящена описанию конструкции (рисунок 8) очистки и стимулирования разгрузки бункеров транспортных средств.

Рисунок 6 - Зависимость массы разгружаемого материала от частоты вращения рабочего органа

Рисунок 7 - Процесс очистки и стимулирования разгрузки бункера цементовоза

механизма и кузовов

перспективы: материалы междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург 2011 г.) / Под общ. Ред. Г.Д. Ахметовой. - СПб.: Реноме, 2011.-С. 108-110.

10. Минько Р. Н. Применение современных технологий в вузах при изучении технических специальностей/ Р. Н. Минько // Естественнонаучное образование в вузе: проблемы и перспективы: сб. статей 3-ей междунар. науч,-методич. конф. - Самара, 2010. - С. 134-137.

11. Минько Р. Н. Применение компьютерной техники при математическом описании поведения разгружаемого материала/ Р.Н. Минько // Информатизация образования - 2011: материалы Международной научн.-практич. конф. - Елец: ЕГУ им. И.А. Баумана, 2011. -Т.2.-С. 416-419.

12. Минько Р. Н. Применение механизации труда и автоматизации расчётов при очистке емкостей транспортных средств/ Р. Н. Минько // Отраслевые аспекты технических наук - № 6, 2011. - С. 9-11.

13. Минько Р. Н Модель процессов, происходящих в емкостях хранения сыпучих грузов [Электронный ресурс]/ Р. Н. Минько // Инновационные информационно-педагогические технологии в системе ИТ образования: сб. докладов 2-ой междун. интернет-конф. «октябрь 6, 2012/ http://ip2012.it-edu.rU/posts/ipt-v-it-obrazovanii/page/2.

14. Патент на полезную модель Российская Федерация № 127725 МПК В65В88/64. Разрушитель-очиститель сводов/ А. А. Певзнер, Р. Н. Минько (Яи); заявитель и патентообладатель ЯГПУ имени К. Д. Ушинского.- № 2012138988/12; заявл. 12.09.12; опубл. 10.05.2013, Бюллетень № 13.

15. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011612920 Российская Федерация. Моделирование поведения истечения сплошной среды/ Р. Н. Минько; заявитель и правообладатель Р.Н. Минько -№ 2011610907; заявл. 14.02.11.

Зав. РИО М. А. Сагасова Подписано в печать 19.11.2013. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 90. Заказ 259.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьёва)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьёва

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

На правах рукописи

04201455027 Минько Роман Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ИСТЕЧЕНИЯ СЫПУЧИХ ОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗГРУЗКИ ОТПУСКНЫХ БУНКЕРОВ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов

и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАЗГРУЗКИ СЫПУЧИХ ОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТПУСКНЫХ БУНКЕРОВ И

КУЗОВОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ..................................................................11

1.1 Существующие технологии очистки и стимулирования разгрузки слежавшихся материалов..........................................................................................11

1.2 Классификация способов разгрузки слежавшегося материала...................23

1.2.1. Использование химических реагентов....................................................25

1.2.2. Использование нагревательных элементов............................................26

1.2.3. Использование явления резонанса...........................................................27

1.2.4. Разрушение сверхвысокими частотами..................................................27

1.2.5. Электромагнитный способ.......................................................................28

1.2.6. Разрушение разрядно-импульсным излучением....................................28

1.2.7. Механический способ разрушения слежавшегося материала..............29

1.3 Обзор существующих моделей сводообразования......................................34

1.4 Анализ факторов, влияющих на истечение сыпучих материалов из отпускных бункеров и кузовов транспортных средств..........................................40

1.5 Выводы по главе 1...........................................................................................43

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СВОДООБРАЗОВАНИЯ СЛЕЖАВШЕГОСЯ ОДНОРОДНОГО МАТЕРИАЛА В ЕМКОСТЯХ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ...............................................46

2.1. Структура исследуемого сыпучего материала.................................................46

2.2. Математическая модель истечения сыпучего материала из емкостей и кузовов бункерного типа...........................................................................................50

2.3. Разработка алгоритма программы для моделирования динамики истечения

сыпучих материалов из бункера...............................................................................61

2.4 Выводы по главе 2................................................................................................69

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ИСТЕЧЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В ЕМКОСТЯХ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ БУНКЕРНОГО ТИПА..........................................................71

3.1. Задачи экспериментальных исследований.......................................................71

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований.............................71

3.3. Условия проведения экспериментов, средства измерений и регистрации параметров..................................................................................................................72

3.4. Результаты экспериментальных исследований................................................75

3.5. Выводы по главе 3...............................................................................................82

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ СТИМУЛИРОВАНИЯ ИСТЕЧЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ БУНКЕРОВ И КУЗОВОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ......................................................................................84

4.1. Разработка конструкции мобильного устройства для стимулирования

разгрузки сыпучих материалов из бункеров...........................................................84

4.2. Результаты испытаний конструкции мобильного устройства для стимулирования разгрузки сыпучих материалов из бункеров..............................86

4.3. Выводы по главе 4...............................................................................................98

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................101

Приложение А...........................................................................................................115

Приложение Б...........................................................................................................143

Приложение В...........................................................................................................145

Приложение Г Приложение Д

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Погрузочно-разгрузочные операции сыпучих материалов (цемент, песок, гипс и т. п.) широко применяются в различных отраслях промышленности. На железнодорожных станциях, в морских и речных портах, на предприятиях и строительных объектах ежегодно перегружаются миллионы тонн различных видов сыпучих грузов [37].

При существующих в настоящее время технологиях разгрузки слежавшихся сыпучих однородных материалов из отпускных бункеров и кузовов транспортных средств выявлен ряд недостатков, которые влекут большие потери.

Одним из недостатков является наличие в разгружаемых емкостях длительного хранения значительного количества сыпучих материалов, то есть в технологических процессах при погрузочно-разгрузочных работах в настоящее время полной очистки емкостей добиться невозможно и, кроме того, слишком велико время разгрузочных операций. Как показала практика, после разгрузки вагонов-хопперов (цементовозов) в них остаётся от 100 до 1500 кг. цемента. Другим недостатком является использование ручного труда для разгрузки вагонов из-за отсутствия креплений для низкочастотных вибраторов.

Одним из направлений по повышению эффективности погрузки-разгрузки является получение новых научных данных о динамике разгрузки сыпучих однородных материалов и разработка устройств, стимулирующих разгрузку слежавшихся сыпучих однородных материалов из отпускных бункеров и кузовов транспортных средств. Это даст возможность решить ряд задач, а именно: исключить повреждение емкостей вследствие нарушения технологии разгрузки, хранения и транспортировки сыпучих материалов; освободить предприятия -грузоотправители от необходимости очистки вагонов перед загрузкой; повысить эффективность использования вагонов бункерного типа и свести к минимуму потери при транспортировке грузов.

В силу указанных обстоятельств диссертационная работа посвящена исследованиям, направленным на улучшение технологии разгрузки и очистки

полостей бункеров и емкостей транспортных средств, созданию технических средств, обеспечивающих надежное истечение материалов из эксплуатируемых бункеров и кузовов транспортных средств.

Продукция машиностроения играет решающее значение в реализации научно-технического прогресса во всех областях производства [42]. Современные поточные технологические операции требуют применения разнообразных типов машин и механизмов.

Проведение крупных строительных работ требует использования большого объёма стройматериалов, и уменьшение грузопотерь играет немаловажную роль в экономии ресурсов и для увеличения прибыли предприятия.

Ежегодно механизация охватывает все более новых звеньев производства, вызывая качественные изменения в организации труда. На предприятиях придают первостепенное значение ускорению научно-технического прогресса, повышению эффективности внедрения новой техники обеспечению наибольшего прироста продукции. Капитальные вложения, т. е. единовременные затраты на создание новых фондов расширение и реконструкцию действующих, представляют собой важнейшую форму расширенного воспроизводства. Они увеличивают производственный потенциал предприятий и отраслей народного хозяйства [78].

При бестарном хранении себестоимость транспортировки снижается в 3-5 раз, потери груза уменьшаются в 2 раза.

Эксплуатация бункеров позволила разработать механизмы, позволяющие устранить образование сводов, это различного рода вибраторы, выгрузные воронки и др. Но в целом необходимо отметить, что эффективность использования бункеров остаётся сравнительно низкой [9].

Производство погрузочно-разгрузочных операций усложняется для грузов, которые обладают способностью прилипать к стенкам специальных складских устройств и характеризуются прочным сцеплением частиц и максимальной плотностью. До настоящего времени не было создано универсального устройства, эффективно работающего с бункерами различной формы. Это объясняет многообразие конструкций бункеров для сыпучих грузов.

Большинство крупных промышленных предприятий обладают различного рода бункерами и бункерными устройствами. Используемые в настоящее время средства для стимуляции выгрузки трудносыпучих материалов не эффективны и часто приводят к нежелательным последствиям.

Для устранения этих явлений при разгрузке вагонов - хопперов используются вибраторы типа С-357; С-413, либо ручной труд с использованием штанг, удлиненных ломов и лопат (согласно ТИ Р М-012-2000). В вагонах -хопперах не производится полная очистка и, как следствие, присутствуют потери груза. Использование вибраторов указанного типа приводит к повреждению стенок подвижного состава, кроме того, на предприятиях-грузополучателях не всегда существует возможность их применения [46].

Существующая технология малоэффективна, помимо этого велика вероятность травматизма. Зачастую для разгрузки вагонов рабочие вынуждены ударять по кузову вагона и, как следствие, ухудшать ситуацию с его дальнейшей разгрузкой [48].

Устранить указанные проблемы возможно, разработав универсальный механизм для разгрузки слежавшегося груза, дающего возможность свести к минимуму повреждение конструкции бункера.

Объектом исследования в данной работе являются процессы разгрузки сыпучих однородных материалов (цемент, мел, известь, гипс, песок) из емкостей бункерного типа.

Предмет исследования - динамические процессы при истечении сыпучих однородных материалов из бункеров и кузовов транспортных средств в условиях длительного хранения и очистке емкостей на основе механического способа разрушения сводов слежавшихся материалов.

Цель работы. Основной целью данного исследования является повышение эффективности разгрузки отпускных бункеров и кузовов транспортных средств в условиях длительного хранения сыпучих материалов на основе исследования механики сводообразования и разработки конструктивных решений механизма для разрушения и очистки сводов.

Основные задачи исследования

1. Анализ существующих технологий разгрузки отпускных бункеров и кузовов транспортных средств.

2. Создание методики расчета динамики сыпучих однородных материалов при разгрузке бункеров и кузовов транспортных средств в условиях длительного хранения.

3. Осуществление экспериментальных исследований разработанной конструкции разрушителя - очистителя сводов.

4. Создание эффективных механизмов для разгрузки из емкостей хранения слежавшихся однородных сыпучих материалов.

Исследования проводились: Домостроительный комбинат №1 г. Самара; на базе полигона Самарского государственного университета путей сообщения ул. Литвинова; ООО Ульяновскбетон г. Новоульяновск; ООО Стандарт-Бетон г. Чапаевск; ОАО «Федеральная пассажирская компания» пассажирское вагонное депо ЛВЧД-7 г. Самара.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Классификация форм сводообразования слежавшегося однородного сыпучего материала.

2. Математическая модель сводообразования слежавшегося материала в емкостях хранения и транспортировки.

3. Алгоритм и метод оценки поведения отдельной частицы сыпучего материала в бункерах и кузовах транспортных средств.

4. Конструктивные решения механизмов стимулирования разгрузки и очистки бункеров и кузовов транспортных средств.

5. Результаты экспериментального исследования конструкции мобильного механизма для стимулирования разгрузки и очистки бункеров и кузовов транспортных средств.

Общая методика исследований. Работа основана на теоретических и экспериментальных методах исследования. При разработке математических моделей использовались известные законы механики и динамики, описывающие

поведение однородных сыпучих материалов. Постановка исследований и производственных испытаний проводилась в соответствии с действующими ГОСТами, методиками планирования и обработки эксперимента.

Научная новизна заключается:

- в разработке математической модели сводообразования слежавшегося однородного материала в емкостях хранения и транспортировки;

- в установлении закономерностей динамических процессов и алгоритма поведения отдельной частицы сыпучего материала в бункерах и кузовах транспортных средств;

- в установлении зависимости между технологическими режимами стимулирования разгрузки и временем очистки бункера в условиях длительного хранения сыпучего материала.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в разработке компьютерной программы, моделирующей поведение и динамику истечения сыпучего материала из бункера, и конструктивных решений для более эффективной разгрузки слежавшегося сыпучего материала бункеров и емкостей транспортных средств.

Разработанные конструкции разрушителей-очистителей сводов бункеров используются в ООО «Стандарт-Бетон» (г. Чапаевск) для разгрузки слежавшихся сыпучих материалов из емкостей цементовозов, а также в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» ЯГТУ при выполнении курсовых и лабораторных работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (СамГУПС, г. Самара, 2009 г.); 36-я и 37-я научные конференции студентов и аспирантов (СамГУПС, г. Самара, 2009 г.); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Естественнонаучное образование в вузе: проблемы и перспективы» (25-26 ноября 2010 г., г. Самара); XIII Международная научно-практическая

конференция «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза); Международная научно-техническая конференция «Образование и наука -производству» (28-31 марта 2010 г. , г.Набережные Челны); Международная заочная научная конференция «Технические науки: проблемы и перспективы» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.). Результаты диссертационного исследования в полном объеме докладывалась на расширенном заседании кафедры «Основы конструирования машин» РГАТУ имени П.А. Соловьева.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 статьи опубликованы в научных журналах, входящих в перечень ВАК Российской Федерации, получен патент на полезную модель и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов по работе и списка литературы. Объем работы - 152 страницы машинописного текста, включающего 45 рисунков, 5 таблиц, 5 приложений, список литературы из 125 наименований, из них 3 на иностранном языке.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАЗГРУЗКИ СЫПУЧИХ ОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТПУСКНЫХ БУНКЕРОВ И КУЗОВОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

1.1 Существующие технологии очистки и стимулирования разгрузки

слежавшихся материалов

Зачастую большая часть издержек предприятий объясняется простоем оборудования и неэффективным использованием ресурсов [79].

Труд существует при определенных технических и организационных условиях. При выполнении этих условий он становится более эффективным. Повышение эффективности зависит также от материального и морального стимулирования [86].

Главной проблемой переориентации на интенсивный путь развития является ускорение научно-технического прогресса в машиностроительном комплексе. Сыпучие материалы разнообразны по плотности, составу, влажности, способности к истечению из бункеров [36]. Неполадки в работе бункеров ведут к нарушению цикла производства, необходимости применения ручного труда [55].

Практика показывает, наиболее эффективными является переход к проектированию машин и устройств и изготовления современных механизмов единой трудовой цепочкой, т.е. одним предприятием.

Последствия научно-технического процесса - снижение людей, занятых в производственной сфере, и увеличение занятых в непроизводственной. Это происходит из-за того, что вместе с повышением общественной производительности труда общество получает возможность обеспечить развитие непроизводственной сферы, поэтому непроизводственная сфера поглощает все больше и больше ресурсов.

Используя уже имеющийся опыт проектирования и эксплуатации бункеров и кузовов транспортных средств возможно заранее рекомендовать оптимальные решения конструкций емкостей для хранения насыпного материала. В ряде

случаев можно создавать конструкции, наиболее отвечающие местным условиям и выбранной технологии, используя уже имеющиеся проектные решения.

Для перевозки нетарированного цемента используют автоцементовозы, вагоны-цементовозы, судна-цементовозы. Также перевозка цемента возможна в специализированных контейнерах [114, 115]. Тип вагонов грузового парка влияет на скорость выполнения операций, и как следствие их эффективность [54]. Наибольшее распространение получили каркасные бункера, которые нуждаются в высоком у