Азбука елеватора

Про деформацію конуса хопера

02.08.2022

Сучасний елеватор або ефективний зерносушильний комплекс не існує без бункера або хопера – силоса оперативного накопичення. Про те, скільки хоперів потрібно елеватору, ми говорили тут.

Вочевидь технологічність та простота конструкції сприяє розповсюдженню хоперів – ємностей з конічним вивантаженням. Але чи дійсно все так просто із використанням хопера? І так, і ні. Деяким конусним силосам «пощастило» зі складними умовами експлуатації, що позначилось не тільки на їхньому ресурсі, а й на конструкції (відбувається деформація конуса хопера, а подекуди навіть руйнування силосу). От і з’являється у таких випадках думка, що виробник силосу щось зробив не так…

Пропоную розібратись, що на сьогодні відомо з «наукового погляду» про експлуатацію хоперів та як працівникам елеватора потрібно використовувати ці знання в повсякденні так, щоб забезпечити експлуатаційну придатність силосів тривалий час. До речі, про заходи забезпечення експлуатаційної придатності силосів читайте в матеріалі «Узагальнення знань про експлуатацію силосів: експлуатаційна безпека елеватора».

Як проєктують силос?

Проєктувальник хоперів для серійного виробництва керується загальними принципами і вказівками щодо визначення впливів, коли розраховує конструкції симетричної геометрії бункерів для зберігання сипкого матеріалу:

1. Сипкий матеріал, що в них зберігатиметься, має бути вільно сипким. Тобто поведінка його часток/гранул при течії не має суттєвої залежності від сил зчеплення.
2. Заповнення та вивантаження хопера продуктом не відбувається одночасно.
3. Потік сипкого матеріалу є рівномірним і рухається по центру.

В побуті можна сказати: «В хопері все побудовано на припущенні, що як тільки під матеріалом відкривається вікно (засувка), то зерно втрачає рівновагу і під дією сили тяжіння та тиску продукту зверху починає рух (вивантажується). І так зернинка за зернинкою, шар за шаром…».

Здається, все просто, але чомусь іноді такого не відбувається.

Дослідження з механіки сипких тіл вказують, що залежно від форми частинок сипкого матеріалу, його шпаруватості, взаємного тертя та тертя по поверхні при виході з випускного отвору формується різна течія потоку.

При розрахунку необхідно враховувати вплив форми потоку при вивантаженні, який може бути таких типів: масовий, конічний у трубі та конічний змішаний потік.

На рисунках нижче схематично відображено, як відбувається рух зерна в кожному випадку. Зверніть увагу, що ілюстрації в цій статті надані для пояснення, тож вони не відповідають дійсному масштабу силосів або явищ, які спостерігаємо при руху зерна.

Масовий потік або гідравлічний потік:

• Потік, при якому всі частки/зернинки матеріалу, що зберігається, при вивантаженні рухаються одночасно (гідравлічне витікання).

Конічний потік:

• Потік в трубі, при якому сипучий матеріал рухається у вертикальному або майже вертикальному каналі над вихідним отвором, але близько до отвору витікання знаходиться в нерухомому стані. Може мати явище «внутрішній потік у трубі», у якому межа каналу витікання поширюється до поверхні матеріалу без контакту зі стінками.

Змішаний потік:

• Форма потоку, що звужується, при якому канал закінчення стикається з вертикальною стінкою бункера нижче поверхні сипкого матеріалу.

В усіх цих випадках зерно створює рівномірне навантаження по колу оболонки.

Слід звернути увагу, що «класична» розрахункова модель течії продукту з силосі не має перешкод для руху зерна. Це дуже важливо розуміти, коли «стандартний» силос планують використовувати як дозуючий пристрій, особливо для моделей силосу з крутою стінкою конічної воронки, кутом нахилу 55 градусів до горизонту та більше.

Що відбувається при зміні продуктивності вивантаження?

Нижня частина хопера – це днище, яке виконується у формі усіченого конуса. Така форма дозволяє здійснювати рівномірний розподіл вихідних часточок сипучого продукту за площею випускного отвору. Чим більше кут нахилу стінки днища, тім імовірність отримання гідравлічного потоку вища.

Найпростіший спосіб зміни продуктивності вивантаження – це змінити переріз вікна вивантаження засувкою. Класична засувка, що має один шибер, призведе до затримання продукту збереження з одного боку силосу. Тобто конічний потік в трубі буде сформований, але труба потоку зміститься з осі силосу до стінки оболонки, і відбудеться позацентрове (неосьове / зміщене від осі) вивантаження продукту із силосу.

Використання шиберної засувки створює умови, коли формується асиметрія профілю потоку в насипу продукту з несиметричним розподілом рухомого сипучого матеріалу від середньої вертикальної осі.

Позацентрове вивантаження продукту із силосу призводить до:

• перерозподілу навантажень на стінки, подекуди до локального перенавантаження;
• викликає горизонтальні згинальні моменти, підвищення тиску.

В результаті такого вивантаження в металевих силосах з’являються вм’ятини та прогини. Причиною є те, що тиск на «стіну» хопера з одного боку вище, ніж на протилежну (рис. 4).

Що відбувається, коли сипкий матеріал перестає бути сипким? Чому це відбувається?

З огляду на продукт, стабільність течії сипких матеріалів (зерно, насіння, гранули, шрот тощо) залежить від вмісту вологи та від ущільнення продукту над випускним отвором. Залежно від фізичних властивостей зерна до взаємного ковзання – сипучості – визначається декілька явищ, серед яких звернемо увагу на діаметр утворення склепіння. Іншими словами, де знаходиться те місце, де продукт утворює арку, коли його рух зупиняється?

Коли течія постійна, пульсуючий характер закінчення витоку знижується.

Уривчастість течії відбувається через створення динамічних склепінь, що побудовані окремими зернинами та/або частинками зернового матеріалу. В такому випадку не утворюється суцільна течія продукту, вона не є масовою (тобто не є гідравлічною). Зерновий матеріал тимчасово, на мить, перекриває прохід – і створює передумови статичного склепіння. Тобто динамічні склепіння в результаті породжують статичне склепіння.

Щоразу коли виникає нестійке (тобто динамічне) склепіння, рух розташованих вище шарів сипкого матеріалу тимчасово припиняється. Утворений «дах» із продукту певний час витримує тиск розташованого вище продукту, що призводить до різкого стрибка величини тиску в перетині бункера відрізок А-С (рис. 5). А під «дахом»/склепінням утворюється негативний тиск.

Статичні і динамічні склепіння, що формуються в продукті з низькою шпаруватістю (тобто із недостатнім повітропроникненням в межі зернового простору), можуть призводити до утворення порожнин із низьким тиском (вакуумом). Бо продукт (теж із низькою шпаруватістю), що розташований нижче, продовжує рух до вивантаження. В просторі без зерна зменшується тиск та відбувається всмоктування оболонки конічного днища всередину (візуальне пояснення дивіться на рис. 5 нижче лінії А-С). Це створює непроєктні динамічні/пульсуючі знакоперемінні навантаження.

Дослідження динаміки сипучого тіла дають пояснення впливу та виникнення пульсуючого тиску на стінки бункерів. Течія залежить від однорідності/в’язкості продукту збереження.

Це наочно демонструється, коли ми бачимо течію сухого та сирого зерна. У сирого зерна кінематичне тертя більше, ніж у сухого, його зернинки злипаються.

Тепер уявіть таке явище: в конічний воронці масового (гідравлічного) потоку (із кутом конуса 55⁰ та більше) всі зернинки прямують до виходу та крім того, що затискаються одна з одною, ще й злипаються. Це створює тимчасове (динамічне) склепіння. В мить виникнення короткочасного (динамічного) склепіння рух продукту над ним припиняється. А коли відбувається зсув продукту і динамічне склепіння руйнується, то формується наступна «хвиля» продукту, що створює зміну тиску на стінку хопера. У цьому випадку статичний коефіцієнт тертя переходить у кінематичний.

Тобто кожен раз, як формується динамічне склепіння, рух зерна зупиняється, і в цьому місці тиск на стінку силосу зростає порівняно зі станом покою або рівномірного тиску. Як тільки склепіння руйнується, тиск різко зменшується і стінка продовжує сприймати робочий тиск.

Додаємо згадане вище втручання у течію класичною засувкою. Якщо шибер засувки не прибрано / не відкрито повністю, це зменшує перетин діаметру каналу течії та зміщує його до стіни. Таким чином формується асиметрична течія потоку, в результаті якої одна стінка силосу отримує зусилля від статичного тиску, а протилежна – через динамічний тиск – отримує ускладнення через короткочасне (динамічне) склепіння (рис. 6). Саме це і призводить до деформацій оболонки хопера.

Таке явище не спостерігається чи майже не проявляється в хоперах, де нижня частина – конічна воронка – не сприяє створенню гідравлічної течії, а забезпечує конічну течію. Наявність нерухомого матеріалу створює найліпші умови – симетричні навантаження. Тому хопери, у яких днище конічне з кутом стінки до горизонту 45⁰ та менше, є не уразливими до деформацій.

Але наявність нерухомого матеріалу сприяє іншому явищу – створенню злиплих шматків, брилів та конгломератів. Це відбувається із продуктами, що мають властивість втрачати сипкість із часом збереження. Слід звернути увагу, що тривалість безпечного зберігання для різних продуктів буде різною та залежить від вологи, температури та інших фізико-механічних властивостей.

Як запобігти деформаціям конуса хопера?

1. При проєктуванні слід підбирати або підлаштовувати обладнання з урахуванням властивостей продукту.
   Для продуктів, що схильні до злипання, для короткочасного збереження без руху потрібно передбачити магнітно-імпульсні вібратори (збурювачі): вони збурюють потік продукту і таким чином запобігають його підвисанню. Вони можуть бути різних типів (це тема для окремого розгляду). Наголосимо тільки на тому, що за принципом роботи вони можуть бути постійної або імпульсної дії.
   Для зберігання зернових продуктів в хоперах за умови періодичного або короткочасного режиму роботи краще використовувати імпульсні збурювачі. До речі, у KMZ Industries є досвід встановлення магнітно-імпульсних збурювачів на хопери для зберігання шроту на найбільшому олійно-екстракційному заводі Молдови.

Збурювачі постійної дії потрібно використовувати в тому випадку, коли продуктивність вивантаження синхронізована з продуктивністю іншого обладнання. При застосуванні вібраторів спонукання руху в системах з неузгодженою /несинхронізованою продуктивністю можуть створюватися умови, коли продукт буде утрамбовуватися в силосі.

2. За умови необхідності забезпечення регулювання продуктивності вивантаження з хопера з кутом конусного днища більше 55⁰ необхідно застосовувати пристрої, які забезпечують осьовий потік продукту, бажано з використанням всієї площі перетину отвору вивантаження:

• Використовуйте засувки, що змінюють перетин вивантажувального вікна від центру до країв.

• Крім того, обирайте транспортери із системою регульованого завантаження та більш складними механізованими живильниками, завдяки яким забезпечується регулювання рівномірного вивантаження продукту.

• Ефективним є облаштування вивантажувального транспортера частотним перетворювачем. В такому випадку засувка (шибер) відкривається на 100%, а необхідна продуктивність вивантаження встановлюється оператором та може бути підлаштована під різні продукти та вимоги технології.

Якщо вже сталося так, що об’єкт побудовано, та виникають деформації секторів днища конічного

Перші ваші дії у такому випадку – звернутися до постачальника та проєктувальника, щоб розглянути можливі способи усунення причини деформації або запобігти руйнуванню силосу. Швидше за все вашій службі з експлуатації буде доречно переглянути ці публікації:

• Узагальнення знань про експлуатацію силосів: експлуатаційна безпека елеватора
• Узагальнення знань про експлуатацію силосів: догляд за силосами
• Узагальнення знань про експлуатацію силосів: обстеження металевих силосів

Встановлення «костилів», які локально підсилюють зони деформацій, частіше за все не матиме довгострокового ефекту. Якщо вам вдалося таким чином «вилікувати» хопер – вітаю та буду вдячний за вашу історію, щоб вивчити ваш досвід.

Автор – Роман Штельмах, директор департаменту клієнтського сервісу KMZ Industries (Facebook, Linkedin)