Оборудование терминалов насыпных и навалочных грузов

Из большого многообразия оборудования, применяемого для перегрузки насыпных и навалочных грузов можно выделить следующие группы:

1. бункерные и силосные установки;

2. конвейеры (ленточные, скребковые, винтовые, инерционные качающиеся, вибрационные и др.) и ковшовые элеваторы (нории);

3. грейферные краны (портальные, мостовые, козловые, кабельные, мостокабельные) и мостовые перегружатели;

4. грейферно-бункерные перегружатели;

5. конвейерные комплексы и кратцер-краны;

6. метательные машины;

7. ковшовые погрузчики и зачистные машины;

8. машины для грузовой обработки вагонов (вагоноопрокидыватели, вагонные разгрузчики);

9. пневмотранспортные установки;

10. гидротранспортные установки.

Бункерные и силосные установки

В транспортно-технологических системах передачи навалочных сыпучих грузов используют машины циклического и непрерывного действия, при этом возникают перерывы на перестановку транспортных средств по мере их загрузки.

В подобных случаях необходимо использовать промежуточные технологические накопители: при передаче груза крановым грейфером на транспортер необходим бункер вместимостью не менее объема грейфера и выпускной способностью, соответствующей производительности машин; при загрузке вагонов по непрерывно работающей технологической линии нужен бункер, накапливающий груз за время перестановки вагонов; при загрузке периодически подаваемых железнодорожных подач и судов необходимо накопление груза с кратковременным хранением в бункерах силосного типа.

Главными характеристиками бункеров и силосов являются вместимость и производительность разгрузки. Производительность разгрузки зависит от свойств груза: гранулометрического состава, влажности, слеживаемости, сопротивления сдвигу и конструкции бункера-силоса.

Бункера могут быть круглыми и прямоугольными соответственно с коническим или пирамидальным выпуском. Угол наклона стенки выпускной воронки , где- угол трения в материале по стенкам бункера. С увеличением углабудем иметь переход нормальной формы истечения (центральный канал) к сплошной гидравлической. При этом сокращается вместимость бункера или растет его высота, что приводит к увеличению габаритных размеров технологического узла (рис. 1, а, б).

Рис. 1. Виды истечения и сводообразования:

а — сплошное гидравлическое истечение; б — нормальное истечение; в — сводообразование крупнокусковых материалов; г — сводообразование мелкодисперсных связных слеживающихся материалов

Бункера большой вместимости и более длительным хранением груза относят к категории силосных.

Сыпучесть материала легко определить по обрушению откосов и определением сопротивления сдвигу.

С потерей сыпучести возрастает связность между частицами груза, что приводит к обрушению откосов блоками (когда масса блока преодолевает сопротивление по линии складирования), возрастанию сопротивления сдвигу и явлению сводообразования (в сыпучем материале пещера-грот не образуется).

Сопротивление сдвигу определяют с помощью специального прибора (рис. 2, а) в соответствии с законом Кулона

где с₀ — начальное сопротивление частиц без нагрузки; — угол внутреннего трения.

Рис. 2. Прибор для определения сопротивления сдвигу (а) и характеристики сопротивления сдвигу (б):

1 - сдвиг уплотненного материала, но со снятой нагрузкой; 2 - сдвиг под нагрузкой, начиная с рыхлой структуры; 3 - сдвиг под нагрузкой ранее уплотненного материала

Однако для моделирования действительных свойств груза необходимо приложить нагрузки, которые определили бы фактическую плотность материала (давление вышележащих слоев, уплотнение падающим при загрузке грузом и т. д.). Метод определения свойств должен соответствовать состоянию материала в транспортном процессе (рис. 2, б).

Сопротивление сдвигу материала с плотностью, полученной под нагрузкой , определяется следующим образом:

Последние два члена в этом выражении характеризуют истинное начальное сопротивление сдвигу ранее уплотненного материала.

При открытии разгрузочного отверстия бункера истечению связного материала препятствует сводообразование. Увеличивая разгрузочное отверстие на экспериментальном испытательном бункере, определим размер предельно устойчивого свода (диаметр наибольшего сводообразования). При разрушении статического свода материал истекает в зоне потока с диаметром, что может привести к завалу, в связи с чем необходимо использовать питатели подбункерных машин. Использование диаметров разгрузочных отверстийу питателей создает подпор зоне потока и способствует сводообразованию.

С изменением связности сыпучего материала в одной и той же емкости можно наблюдать различное поведение материала, что потребует различных способов побуждения к истечению (рис. 3).

Условно можно выделить три формы истечения — поведения связного сыпучего материала в бункере-силосе при открытии выпускного отверстия:

1) материал малой связности при открытии разгрузочного отверстия с диаметром d будет свободно истекать центральным каналом с обрушением откосов в образующуюся воронку с небольшими остатками на днище: — истечение свободное;

2) материал повышенной связности, склонен к сводообразованию; после разрушения статического свода истекает пульсирующим потоком с образованием динамических сводов в зоне потока: — истечение неустойчивое, с увеличениемтребуется регулирующее воздействие;

3) материал высокой связности, статические своды соизмеримы с диаметром емкости, свободного гравитационного истечения не происходит: — возможна принудительная энергоемкая разгрузка, использование бункеров нецелесообразно, лучше использовать шатровые склады с кратцер-кранами.

Рис. 3. Изменение форм истечения из емкости с повышением связности:

1 - свободное нормальное истечение; 2 - неустойчивое регулируемое истечение; 3 - принудительная разгрузка

Следовательно, целесообразно эксплуатировать бункеры-силосы, обеспечивающие в соотношении со свойствами груза формы истечения 1 или 3. При этом необходимо предусматривать системы сводообрушения для бесперебойной разгрузки емкостей, а также питатели и затворы, что в совокупности позволит управлять процессом гравитационной разгрузки.

Сводообрушающие системы изменяют свойства груза в зоне разгрузки до соответствия возможностям выпускного диаметра, назначенного для получения заданной производительности. С этой целью в зависимости от свойств груза используют системы вибрационного, пневмо-механического, пневматического и т. п. действия (рис. 4). Стабилизирующие системы воздействуют на зону потока для получения , что обеспечивает однородный стабильный поток материала. Эффективным может быть использование выпускных воронок с входным размером больше, системы пневмо- и пневмомеханического воздействия, уложенные по всему днищу и работающие последовательно, вибрационные решетки и рассекающие конусы с вибро- или пневмовоздействием.

Рис. 4. Системы сводообрушения и стабилизации:

а — вибрационная система; б — пневмо-механическая система; в — сотрясающая решетка в потоке; г — конусный рассекатель потока с вибрационным или пневматическим воздействием

В зависимости от свойств груза затворы могут использоваться отдельно или совместно с питателями, что позволяет обеспечить большую надежность управления легкосыпучими аэрирующимися грузами. Назначение затвора — перекрыть движение гравитационному потоку до получения необходимой производительности. Для этого используют клапаны различных конструкций, шиберы, секторы и другие устройства.

Питатель позволяет стабилизировать неравномерность гравитационного потока и обеспечить подачу груза на последующую машину с заданной производительностью. В качестве питателей используют компактные мини-транспортеры: ленточные, цепные, винтовые, вибрационные и т. п. (рис. 5).

Выпускные отверстия бывают круглой и прямоугольной формы, симметричные к оси бункера и смещенные. Они существенно влияют на производительность разгрузки и назначаются в зависимости от сводообразующего размера .

Прямоугольная форма приводится к круглой через гидравлический радиус

R_г=F/L,

где F — площадь отверстия; L — длина периметра.

Для кусковых грузов

,

где k - опытный коэффициент (k =2,6, для груза сортированного, k =2,4 для рядового груза разных фракций); В_max — размер наибольшего куска груза.

Рис. 5. Питатели и затворы бункерных установок:

а — ленточный питатель с шиберной заслонкой и секторным затвором; б — винтовой питатель с секторным затвором и ленточными весами;

1 — регулирующая заслонка; 2 — борты

Рис. 6. Бункерные перегрузочные станции

а – массовое дозирование с использованием вагонных весов; б – объемное дозирование с использованием подбункерных дозаторов; в – автоматизированная установка для загрузки вагонов

Для мелкодисперсных грузов

где - сопротивление груза сдвигу с исходной плотностью, обусловленной условиям хранения;— насыпная плотность груза.

Пропускная способность бункера определяется производительностью разгрузки, т. е. массой груза, истекающего через разгрузочное отверстие в единицу времени:

,

где - скорость истечения груза,F – площадь отверстия, -насыпная плотность груза в потоке

Скорость истечения нестабильна (- max,- min) в связи с изменением плотности материала при переходе из неподвижного состояния (,) до сыпучести (,) и обратно в связи с подпором от затворов и питателей

При этом эмпирический коэффициент =0,2...0,65, где более высокие значения характеризуют сухие, сортировочные, зернистые хорошо сыпучие материалы, меньшие - плохо сыпучие (связные) материалы.

Бункеры и силосные установки используются как элементы машин и технологических линий (например, в грейферно-бункерных перегружателях) или как отдельные секции в составе узлов загрузки вагонов. При этом возможно объемное и массовое дозирование (рис. 6, а,б). В первом случае используются подвагонные весы (рис. 6, а), во втором объемные дозаторы (например ленточный) (рис. 6, б). Бункерная установка (рис. 6, в) имеет сдвоенную симметричную конструкцию. Истекающий поток груза регулируется секторными затворами и ленточными питателями до полной загрузки мерных бункеров. Такая система обеспечивает равномерную загрузку вагона, не требует штивки - разравнивания груза, гарантирует равномерные нагрузки на колесные оси вагона, что необходимо для безопасности скоростной доставки по железной дороге. Производительность загрузки 55 вагонов в 1 ч, один вагон загружается за 66 с. Установка может обрабатывать сыпучие грузы объемной массой 0.8..3,4 т/м³ с автоматической перенастройкой оборудования и регистрацией перегрузочных операций.

Силосы как складские бункеровочные емкости делают прямоугольными, призматическими и круглыми диаметром 6 и 12 м и высотой 25..30 м. Для предотвращения процессов сводообразования расширения зоны потока и уменьшения остатков груза для Медвежьегорского порта на Онежском озере спроектирован силосный склад на 11 тыс. т груза диаметром 24 м и высотой 25 м. Бетонные стены стянуты металлическими обручами, а днище имеет шесть выпускных конических воронок с механическими шиберами, под которыми установлены выпускные воронки со шнековыми питателями. Склад предназначен для апатитового концентрата с нестабильной влажностью 0,5...1,5 %, что приводит к переменной сыпучести — слеживаемости. Для обеспечения разгрузки конусное днище покрыто секциями пневматического сводообрушения и сброса остатков в четыре яруса, включаемыми через электроклапаны последовательно при снижении производительности разгрузки. Выпускная воронка имеет секции регулируемой подачи воздуха в зависимости от нагрузки привода питателя, соответствующей производительности разгрузки, через блок сравнения, автомат и колонку дистанционного управления регулирующим клапаном. Длительный срок эксплуатации показал надежность работы склада.

Эксплуатация бункеров и силосов требует регулярного контроля прочностного состояния и периодической полной их очистки для предотвращения обрастания остатками и профилактики систем обрушения и стабильной работы.