1.4. Анализ классических форм истечения
грузов из бункеров и силосов
Анализ схем технологических операций с сыпучими грузами в
транспортно-складских комплексах показывает, что бункеры являются
неотъемлемым элементом складской системы. Это справедливо для
любых форм поставок, как в тарированном виде, так и в бестарном.
Качественная и бесперебойная работа транспортно-складских ком-
плексов на загрузке подвижного состава и внутрискладских транспор-
тировках груза зависит от отлаженности технологического процесса
производства и, в том числе, от стабильного истечения грузов из ем-
кости хранения.
Процесс истечения сыпучих грузов из бункеров нарушается, в
первую очередь, вследствие возникновения явлений сводообразова-
ния. Особенно сильно этому явлению подвержены связные грузы.
Классическая наука о процессе истечения грузов из емкостей приме-
нима лишь для сыпучих грузов незначительной связности и не рас-
сматривает явление сводообразования. Для подавления сводообра-
зования используются различные
технические устройства, которые
воздействуют на сыпучий груз,
стимулируя его истечение актив-
ным либо пассивным способом.
Тем не менее, и в зоне питателя
при диаметре потока dп, меньшем
диаметра наибольшего сводооб-
разования dн.с, над выпускным от-
верстием создается подпор груза,
стимулирующий образование сво-
дов.
На основании исследований
А.Л. Степанова известно три ти-
пичных формы истечения грузов
а б в
Рис.1.13. Изменение формы истечения
из ёмкости с повышением
связности грузов:
а- малой связности; б– повышенной
связности; в– высокой связности
27
различной степени связности из бункерно-силосных емкостей
(рис.1.13):
I – свободное истечение сыпучего груза малой связности из вы-
грузного отверстия диаметром d с образованием потока диаметром dп
(d/dп>1), обрушением откосов в образующуюся воронку и наличием
незначительных остатков на днище емкости (рис.1.13а);
II – истечение сыпучего груза повышенной связности с пульсаци-
ей и образованием динамических сводов в зоне выгрузки (рис.1.13б).
При d/dп≅1 истечение неустойчивое, с увеличением dп требуется
внешнее воздействие;
III – отсутствие гравитационного выпуска груза высокой связно-
сти из-за статических сводов при d<dп (рис.1.13в). Разгрузка емкости
производится с применением специальных выгрузных устройств. Для
хранения таких грузов вместо бункеров целесообразно применение
шатровых складов с крейцер-кранами.
Таким образом, для связных грузов применение бункерно-
силосных емкостей возможно лишь в случаях, когда обеспечиваются
формы истечения груза типа I и II. Выгрузка высокосвязных грузов из
бункерно-силосных емкостей может быть осуществлена при рацио-
нальном сочетании гравитационного и принудительного выноса сыпу-
чих грузов из полости емкости. Управление процессом извлечения
должно осуществляться при помощи сводообрушителей, затворов и
питателей. Кроме того, сводообрушители изменяют свойства груза в
зоне выпуска, что способствует обеспечению заданной производи-
тельности выгрузки, подавлению процесса сегрегации груза, частич-
ному восстановлению сыпучести слежавшегося материала и т.п.
Бесперебойное и равномерное истечение груза из емкостей в
значительной степени зависит от следующих факторов: режима
функционирования бункера, конфигурации и конструкции корпуса и
выгрузной воронки, месторасположения и размера выпускного отвер-
стия и физико-механических свойств груза.
Рогинским Г.А. высказано мнение, что сыпучий груз имеет спо-
собность сохранять равновесие в пределах, обусловленных силами
внутреннего трения. При открытии затвора груз лишается части опоры
столба насыпи, при этом нарушается равновесие частиц груза в емко-
сти. Частицы груза, примыкающие к выгрузному отверстию, получают
перемещение, что обуславливает истечение сыпучего груза. В свою
очередь частицы вышележащих слоев, потеряв опору, движутся к
месту выгрузки, что сопровождается колебанием давления в потоке
груза. Нарушение равновесия слоев происходит последовательно от
нижних к верхним, тем самым обеспечивая непрерывное движение
потока к выпускному отверстию емкости. Далее происходит изменение
давления по высоте емкости и физико-механических свойств груза
(объемной плотности, начального сопротивления сдвигу, коэффици-
ента уплотнения), что в итоге приводит к сводообразованию, а зачас-
28
тую и к сегрегации сыпучего материала. В массе груза происходят яв-
ления, вызванные пульсацией и прерывистым характером потока.
Движение частиц сопровождается столкновением, трением и соударе-
нием их при непрерывном изменении структуры сыпучего груза.
Исследования выпуска сухого песка из емкости
с отверстием в плоском дне позволили сделать
следующие выводы (рис.1.14). Над выпускным от-
верстием емкости находится зона А, характеризую-
щаяся свободным падением частиц груза. Зона В на
высоте засыпки емкости ограничена размерами вы-
пускного отверстия, в ней частицы движутся уско-
ренно (канал потока). Движение груза к выпускному
отверстию происходит с перемещением зоны С по
верхней границе с зонами Д, подвижность которых
ограничена вследствие неподвижных зон Е. Объем
неподвижных зон зависит от конфигурации элемен-
тов емкости и физико-механических свойств сыпуче-
го груза. Характерной особенностью при этом явля-
ются неподвижные зоны, в кото-
рых высыпание придонных слоев
груза осуществляется в послед-
нюю очередь.
На основании исследований
процесса истечения сыпучих гру-
зов из бункерно-силосных емко-
стей выделены основные формы
движения потока: нормальная
форма (центральный поток) и
гидравлическая, сплошная форма
(массовый поток)1. При нормаль-
ном истечении (рис.1.15) в начальный момент отсутствует движение
частиц относительно стен емкости. После открытия выпускного отвер-
стия происходит разуплотнение груза над отверстием и образование
канала или воронки. В дальнейшем воронка наращивает диаметр до
встречи с поверхностью насыпи, но уровень насыпи не снижается. По
мере соприкосновения конусной воронки со стенками емкости сыпучий
груз располагается на поверхности насыпи под углом естественного
откоса. Крупные частицы скатываются по воронке к выгрузному отвер-
стию, что стимулирует сегрегацию сыпучего груза.
Таким образом, в процессе функционирования емкости с нор-
мальным истечением при выпуске выгружается сначала вновь загру-
женный материал, а затем оставшийся. Это приводит к образованию
застойных зон, где содержимое емкости остается длительное время.
1 Терминология американского и бельгийского ученых Э.Дженике и Г. Боуманса
Рис.1.14. Зоны ис-
течения сыпучего
груза из емкости
Рис.1.15. Нормальная форма истече-
ния груза из силоса
29
Нормальная форма движения потока в емкости характерна для хоро-
шосыпучих грузов (стандартной влажности зерно, минеральные удоб-
рения и т.п.).
Гидравлическая форма движения груза характеризуется пере-
мещением в направлении выпускного отверстия всей массы сыпучего
груза, а поверхность насыпи его сохраняет свой первоначальный про-
филь. При этом происходит движение частиц относительно стенок ем-
кости, что исключает образование «мертвых» зон. Груз, поступивший
в полость емкости первым, выгружается в первую очередь. Можно
выделить следующие преимущества над формой нормального исте-
чения груза:
- расслоение (сегрегация) груза проявляется в меньшей степени
вследствие движения всей массы насыпи вниз, так как все час-
тицы груза имеют одинаковую скорость;
- опасность обвала больших масс груза снижается за счет его пе-
ремещения в виде столба, обеспечивающего принцип «первый
при загрузке - первый при выгрузке»;
- из-за незначительного действия сил внутреннего трения движе-
ние более крупных частиц груза замедлено.
Г. Боуманс считает, что гидравлическое истечение происходит в
трех случаях: стенки выпускной воронки гладкие и имеют крутой на-
клон; нижние слои груза испытывают давление со стороны верхних;
выпускное отверстие имеет большую площадь.
При количестве
выпускных отверстий
емкости более одного
(рис. 1.16) отнесение
вида истечения к гид-
равлическому не может
быть однозначным. При
малом соотношении
площади сечения емко-
сти и выгрузного отвер-
стия происходит выпуск
сыпучего груза по сме-
шанной форме движе-
ния со смещением к
нормальной. С ростом количества выпускных отверстий и, соответст-
венно, соотношения площадей емкости и отверстия происходит со-
кращение зон сыпучего груза с задержкой времени выгрузки. Однако
размер отдельного выпускного отверстия должен исключать сводооб-
разование.
По мнению Рогинского Г.А., фактором, определяющим формы
движения потока, являются физико-механические свойства груза.
Анализ исследований процесса истечения сыпучих грузов с различной
Рис.1.16. Движение груза в бункере с нескольки-
ми выгрузными отверстиями
30
степенью связности показал, что в реальных условиях происходит
слияние названных видов истечения. При разгрузке емкостей нор-
мальное истечение груза может принимать гидравлическую форму
(массовый поток) и наоборот в зависимости от различных обстоя-
тельств. Ими могут явиться паузы в технологическом процессе, сроки
хранения сыпучих грузов, форма корпуса емкости, выпускной воронки
и т.п.
Явление сводобразования обуславливается уплотнением сыпу-
чих грузов при производстве транспортно-складских операций, проис-
ходящим вследствие изменения давления внутри столба груза, нахо-
дящегося в бункере, в зависимости от высоты этого столба. Исходя из
этого, понимание указанного явления вытекает из динамики распре-
деления давлений в материале по высоте бункерно-силосных емко-
стей.
