Расчет на прочность прямоугольных бункеров

На прочность стенок подвесных стальных бункеров влияют возникающие растягивающие и изгибающие напряжения. Общая картина действия сил показана на рис. 45, а, б.

В верхних вертикальных стенках бункера, опирающихся на колонны (рис. 45, а), действуют горизонтальные растягивающие усилия N_a, N_B. Стенки работают еще на местный изгиб под действием бокового давления груза как пластины и на общий изгиб под действием собственного веса как балки.

В наклонных стенках воронки кроме перечисленных нагрузок действуют еще и растягивающие силы вдоль ската воронки (скатные усилия).

Если бункер подвешен за верхнюю окантовку вертикальных стенок (это встречается сравнительно редко), то в вертикальных стенках могут возникнуть вертикальные растягивающие силы.

Определение, растягивающих усилий. Горизонтальные растягивающие усилия, отнесенные к единице линейного размера стенок по высоте, вычисляют по формулам

N_a = σB_h /2; N_B= σA_h/2, (98)

где σ — боковое давление; A_h, B_h — размеры поперечного сечения бункера на рассматриваемом уровне.

Величину скатных усилий N' (рис. 45, б), отнесенных к единице периметра стенок, при симметричной форме воронки определяют по формуле

, (99)

где G" — вертикальная нагрузка на рассматриваемое сечение воронки; α — угол наклона стенки к горизонту.

Вертикальную нагрузку G" находят по формуле

G" = A_hB_hσ + G_B, (100)

где σ — вертикальное давление груза; G_B — вес груза, содержащегося в воронке ниже рассматриваемого сечения, а также собственный вес нижней части воронки.

Определение изгибающих моментов. Наибольший изгибающий момент, возникающий в стенках, имеющих опору по контуру, под действием давления насыпного груза, вычисляют по формуле

М_max = , (101)

где σ_cp — среднее нормальное давление насыпного груза на стенку; a_p < b_p — расчетные размеры пластины (рис. 45, в); с₁ — безразмерный коэффициент (см. табл. 1)

 

1. Значения коэффициента c₁

Отнош	Коэффициент c1	Отнош	Коэффициент c1
сторон, bp/ ap	зажат	опоры	сторон, bp/ ap	зажат	опоры
	19,5	20,9		12,1	9,8
1,2	15,6				8,4
1,4	13,7	13,3			8,1
1,6	12,7	11,6	∞
1,8	12,2	10,6

 

Среднее давление σ_cp [см. формулу (101)] вычисляют для наклонных и вертикальных стенок стальных бункеров.

Для прямоугольной пластины

σ_cp= , (102)

где σ', σ" — наименьшая и наибольшая величины нормальных давлений (рис. 45, в, д).

Для треугольной пластины (рис. 45, г)

σ_cp= . (103)

Для трапецеидальной пластины (рис. 45, д)

, (104)

где а₁, а₂ — верхнее и нижнее основания трапеции.

Расчетные размеры а_p, b_p, входящие в формулу (101), для треугольных и трапецеидальных пластин определяют путем условного преобразования их формы в прямоугольную.

Для треугольных пластин расчетные размеры вычисляют по формулам

; , (106)

где а₁, b₁ — основание и высота треугольника (рис. 45, г).

Для трапецеидальных пластин (см. рис. 45, г) расчетные размеры находят по формулам:

; , (107)

где b₁ — высота трапеции.

Расчет стенок металлических бункеров. Конструкция стенок металлических бункеров состоит из каркаса и обшивки. Каркас бункера — из профильного проката; элементы каркаса носят название ребер.

Различают ребра (рис. 45, е): угловые 1, горизонтальные 2, вертикальные 3 и ребра, идущие вдоль ската воронки — 4 (скатные).

Стальные листы обшивки бункера рассчитывают на местный изгиб, возникающий под воздействием давления насыпного груза на стенки

δ= , (108)

где δ — толщина листов обшивки, см; с₁ — коэффициент (находят по табл.1); σ_доп — допустимое давление на стенки.

При жестком соединении угловых ребер 1 с колоннами 5 (см. рис. 45, е) ребра рассчитывают на растяжение под действием усилий N, которые определяют по приближенной формуле

N = , (109)

где G" — вертикальная нагрузка [вычисляют по формуле (100) для верхнего сечения воронки]; θ — угол наклона углового ребра к горизонту [определяют по формуле (103)]; k_H — коэффициент неравномерности распределения нагрузки.

Для симметричных воронок k_H = 1. Для несимметричных -1,6.

Если бункер подвешен за верхнюю окантовку вертикальных стенок, то боковые ребра подобно скатным рассчитывают на растяжение под действием удельных скатных усилий, определяемых по формулам (99). Усилие, приходящееся на отдельное ребро, рассчитывают по формуле

N = Nс l', (110)

где l' — ширина участка стенки, условно отнесенного к данному ребру (обычно l' определяют как расстояние между серединами смежных листов обшивки, примыкающих к рассчитываемому ребру).

Скатные ребра, кроме того, рассчитываются на изгиб под действием давления насыпного груза на стенки. Изгибающий момент находят по формуле

М = , (111)

где q_H — интенсивность равномерно распределенной нагрузки; l — пролет ребра; с₂ — безразмерный коэффициент (с₂ = 8 для балки со свободно лежащими концами; с₂ = 12 при защемленных концах).

Интенсивность нагрузки [см. формулу (111)]

q_H = σl', (112)

где σ — давление на стенки, определяемое на уровне средней точки ребра по высоте; l' — то же, что и в формуле (110).

 

Суммарное напряжение в растянутых волокнах скатных ребер

(113)

 

где N — растягивающее усилие; М — изгибающий момент; F — площадь поперечного сечения ребра; W — момент сопротивления ребра.

Величина напряжения не должна превышать величины [см. формулу (108)].

Если призматическая часть бункера опирается на колонны, то вертикальные ребра 3 (см. рис. 45, в) рассчитывают только на изгиб, причем изгибающий момент определяют так же, как и для скатных ребер, по формуле (111). В случае подвески бункера за верхнюю окантовку призматической части вертикальные ребра рассчитывают на изгиб и на растяжение усилием N, которое находят по формуле

, (114)

где — вес бункера с его содержимым; , — размеры горизонтального сечения призматической части бункера; — то же, что и в формуле (110).

Суммарное напряжение вертикальных ребер определяют по формуле (113).

Горизонтальные ребра каркаса рассчитывают на растяжение под действием сил и (см. рис. 45, б), которые находят по формулам (98), и на изгиб под действием давления насыпного груза на стенки. Обычно горизонтальные ребра жестко соединены в углах и образуют замкнутую раму. Узловые изгибающие моменты рамы определяют по формуле

, (115)

где A_h, B_h — размеры ребер (см. рис. 45, е); , — интенсивность равномерного распределения нагрузок на ребра.

Пролетные изгибающие моменты определяют по формулам

; , (116)

Интенсивность нагрузок q_a, q_b, входящих в приведенные формулы, находят по формулам

; , (117)

где — давление на стенки, определяемое на уровне рассматриваемого ребра; , — углы наклона стенок бункера в зоне горизонтальных ребер с длинами A_h и B_h соответственно.

Рассчитывают ребра на изгиб либо по узловому моменту, либо по пролетному в зависимости от того, который из этих моментов больше.

Если горизонтальные ребра не имеют жесткой связи в углах, то изгибающие моменты определяют по формулам

; , (118)

Суммарное напряжение в горизонтальных ребрах вычисляют по формуле (113).

 

Элементы бункеров.

Затворы

Затворы бункеров предназначены для перекрытия выпускного отверстия и выпуска из бункера насыпного груза.

Рабочим органом клапанных затворов (рис., а) является шарнирный клапан, вращающийся вокруг оси, прикрепленной к стенке бункера около выпускного отверстия.

Секторные затворы состоят из патрубка и шарнирной цилин­дрической заслонки (называемой сектором) с боковыми щеками в виде секторов (рис., б).

Челюстные затворы по принципу действия подобны секторным и могут рассматриваться как их разновидность. Отличие заключается в том, что выпускное отверстие 2 перекрывается двумя цилиндрическими заслонками (челюстями) 4 (рис., в), свя­занными между собой зубчатыми секторами 1.

Рис. 6:а - клапанный; б - секторный; в - челюстной; г - пальцевый;

д - цепной; е - пло­ский; ж - ленточный; и - круглый

 

Последние наса­жены на оси 5 таким образом, что при повороте прикрепленного к одной из челюстей рычага 3 обе челюсти поворачиваются в про­тивоположных направлениях

Пальцевые затворы (рис., г) предназначены для закрыва­ния выпускного отверстия под нагрузкой при работе с тяжелыми крупнокусковыми материалами, такими, как руда, камень и т. п. Их рабочими органами являются пальцы 8, выгнутые из рельсов или легких двутавров и насаженные рядом один с другим на ось 6, расположенную у верхней кромки выпускного отверстия бункера. Пальцы соединены цепями 7 со штоком пневматического цилиндра.

Цепной затвор (рис., д) состоит из наклонного лотка и ряда цепей, расположенных вплотную и подвешенных над выпускным отверстием так, что они образуют занавес. Нижние концы цепей связаны с цепями, за которые производится подъем рабочих цепей.

Плоские затворы (задвижки) имеют стальную плоскую пла­стину (рабочий орган), перемещающуюся в пазах, расположенных по сторонам прямоугольного выпускного отверстия (рис., е).

Гусеничные затворы разделяют на ленточные и пластинчатые. Рабочим органом ленточного затвора является бесконечная про­резиненная лента (рис., ж), расположенная под выпускным отверстием и закрепленная в точке а'. Она огибает два барабана, а ее ветвь, прилегающая к выпускному отверстию, установлена на поддерживающие ролики, которые, как и барабаны, смонти­рованы на подвижной раме затвора, перемещаемой горизонтально-реечной передачей. При движении рамы вправо верхняя ветвь лен­ты до концевого барабана остается неподвижной, а нижняя дви­жется вправо, что сопровождается укорачиванием находящегося над отверстием участка верхней ветви ленты, и выпускное отвер­стие постепенно открывается.

Круглый затвор (рис., з) состоит из корпуса и барабана, цапфы которого вращаются в подшипниках скольжения. Барабан имеет сквозные отверстия, пропускающие насыпной груз, выте­кающий из выпускного отверстия бункера.

Давление на затворы бункеров, содержащих полужидкие ма­териалы, определяют как давление на стенки бункеров. Давление на затворы сыпучих грузов зависит от жесткости конструкции за­твора и процесса заполнения бункера, поэтому точный его расчет является сложной задачей.

Среднее давление на горизонтальный затвор (для приближен­ных расчетов)

р_з = 5,6k₀gρR'_г,

где k₀ - коэффициент, равный 2 для бункеров, опорожняемых полностью при каждом открывании затвора; 1 - для неопорожояемых полностью бункеров; 1,5 - для бункеров, опорожняемых не при каждом открывании затвора;

R'_г - гидравлический радиус выпускного отверстия.

 

Давление на наклонные и вертикальные затворы

р_з = 5,6k₀gρR'_г(cos²β + m’_идsin²β),

где β — угол наклона затвора к горизонту (рис.);

m’_ид — коэффициент подвижности насыпного груза, m’_ид = 0,18/f (здесь f —коэффициент внутреннее трения насыпного груза).

 

Схема для определения давления на затвор

Рис. 7

Питатели

Питатели предназначены для рав­номерного питания из бункера различных прием­ных устройств: конвейеров, средств перйодического транспорта и т. п.

Ленточный питатель показан на рис., а. Его рабочим органом является резинотканевая конвейерная лента, огибающая приводной и натяжной барабаны. Над верхней ветвью ленты, ле­жащей на роликах или на неподвижном металлическом настиле, расположены стационарные болты. Регулирующая заслонка поз­воляет изменять производительность питателя.

Расчет ленточных питателей аналогичен расчету ленточных конвейеров. Скорость ленты питателей 0,05... 0,45 м/с.

Пластинчатый питатель (рис., б) имеет настил 2 из сталь­ных пластин с бортами 7, взаимно перекрывающими друг друга и прикрепленными к звеньям двух тяговых цепей 5, которые при­водятся в движение при помощи приводных звездочек 4. Необхо­димое натяжение цепей создается винтовым натяжным устройст­вом 1, присоединенным к оси холостых звездочек. Цепи снабжены роликами, которые катятся по направляющим шинам 6. Произво­дительность питателя регулируется плоской задвижкой 5. Ско­рость движения пластинчатого настила v = 0,02... 0,25 м/с, коэффициент наполнения t|? = 0,8. Расчет этих питателей выпол­няют так же, как пластинчатых конвейеров.

Цепной питатель (рис., в) имеет набор бесконечных цепей (рабочий орган), висящих перед выпускным отверстием бункера и образующих тяжелый занавес, препятствующий самопроизволь­ному вытеканию насыпного груза из бункера. Цепи движутся при помощи приводного барабана и выпускают груз. Производитель­ность питателя можно регулировать, изменяя частоту вращения барабана.

Винтовой питатель (рис., г) подает насыпной груз при помощи вращающегося винта. Преимуществом этих питателей является герметичность, а недостатками быстрое изнашивание винта и лотка, а также высокая энергоемкость. Производитель­ность регулируют изменением частоты вращения винта или за­движкой в горловине бункера.

Тарельчатый питатель (рис., д) имеет горизонтальный диск, вращающийся под выпускным отверстием бункера. Сбоку над диском установлен скребок 5, сбрасывающий насыпной груз с диска 9 в приемное устройство 10.

Барабанный питатель (рис., е) имеет чугунный литой бара­бан диаметром 300... 1200 мм, расположенный под горловиной бункера. При вращении барабана насыпной груз вытекает из выпускного отверстия со скоростью 0,025... 1 м/с.

Лопастной питатель (рис. 4.30, ж) состоит из корпуса 12, разделенного лопастями 11 на отсеки. При вращении корпуса мелкофракционный материал подается из бункера с высокой точ­ностью.

 

Рис. 8:

а - ленточный; б - пластинчатый; в - цепной; г - винтовой;

д - тарельчатый; е - барабанный; ж - лопастной;

з - вибрационный; а - плунжерный; к - маятниковый

 

Вибрационный питатель (рис,, з) содержит лоток 13, соеди­ненный с плитой 14, опирающейся на рессоры 15. Вибратор вы­полнен в виде вала с двумя дисками, несущими эксцентричные грузы. На крышках дисков укреплены контргрузы, поворот кото­рых относительно дисков позволяет регулировать центробежную силу, а следовательно, и амплитуду колебании вибратора. Рес­соры закреплены на поворотных кронштейнах 16, позволяющих регулировать угол наклона лотка.

Плунжерный питатель (рис., и) снабжен лотком 19, по которому возвратно-поступательно при помощи кривошипно-шатунного механизма 17 движется плунжер 18. Стальной пусто­телый плунжер при ходе вперед перемещает перед собой мелко-фракционный насыпной груз, который ссыпается с лотка в тфием-ное устройство; при ходе назад плунжер освобождает место для следующей порции груза.

Маятниковый питатель (рис., к) имеет секторный затвор, приводимый в действие кривошипно-шатунным механизмом. Его производительность регулируется изменением частоты вращения коленчатого вала.

Непрерывная разгрузка бункера обеспечивает непрерывную до­зировку твердого материала в технологический аппарат. Регули­руемое частичное открывание любого затвора никогда не может обеспечить сколько-нибудь равномерной струи материала ввиду резкой зависимости сыпучести материала от многих факторов.

Для непрерывной разгрузки бункера, т. е. непрерывной подачи материала в аппарат, и регулирования этой подачи применяются специальные механические устройства: питатели или доза­торы.

Шнековый (винтовой) питатель — это корот­кий шнековый транспортер, соединенный непосредст-венно с выход­ным концом бункера, который служит питательной воронкой шне­ка. Привод его с вариатором ско­рости позволяет плавно в широких пределах изменять число оборотов шнека, а тем самым и подачу мате­риала.

Шнековый питатель может быть легко герметизирован. Его недо­статки: истирание материала и невоз­можность применения для подачи влажного налипающего материала.

Рис. 187

Б а р а б а н н ы й (сектор­ный) питатель (рис. 187) со­стоит из кожуха 1, в котором вра­щается барабан 2 с перегородками. Для облегчения вращения барабана и предупреждения поломок от усилий, направленных вверх, загрузочное отверстие должно быть сдвинуто в сторону от оси бункера. Подача мате­риала регулируется изменением числа оборотов барабана. Достоинства и не­достатки барабанного питателя такие же, как шнекового, пре­имущества его: малый расход энергии и компактность.

Рис. 188

Тарельчатый питатель (рис. 188) представляет собой медленно вращающийся вокруг вертикальной оси горизон­тальный диск (тарелку) 1, которая расположена под бункером 5 на массивной поддерживающей опоре. Материал попадает на вра­щающуюся тарелку через «манжету» 4 и располагается на тарелке в виде усеченного конуса под углом естественного откоса. При вра­щении тарелки часть материала набегает на скребок 2, скользит по нему и сталкивается в разгрузочную течку. Изменение подачи в широких пределах достигается изменением объема материала на тарелке соответствующей установкой «манжеты». В небольших же интервалах изменение подачи достигается различной установкой скребка 2, что осуществляется с помощью винта 3.

Тарельчатый питатель конструктивно прост и надежен в работе. Недостаток его — неточность дозировки как результат изменения угла естественного откоса даже при незначительных изменениях фракционного состава, влажности и условий слеживания мате­риала в бункере. Сам принцип сталкивания дает не строго равно­мерную подачу, а толчками отдельных пордий материала. Равно­мерность и точность работы тарельчатого питателя существенно улучшается расширением «манжеты» книзу, что облегчает сход материала на тарелку, и установкой спирального ножа, доходя­щего до самого центра тарел­ки, что вызывает движение массы материала на всей ее площади. За счет острого угла встречи материала с ножом (15°) и небольшой высоты сталкиваемого слоя, огра­ниченной нижним краем ман­жеты, достигается плавность (без толчков) схода материала.

Пластинчатый пи­татель (рис. 189)—это короткий пластинчатый тран­спортер, поставленный под бункером 3. Лента питателя состоитиз штампованных пластин1, перекрывающих друг друга и прикрепленных к звеньям двух цепей, получающих движение от звездочек. Лента движется по поддерживающим роликам 2, не допускающим про­висания ее. Регулирование подачи в этих питателях достигается или изменением скорости передвижения ленты за счет изменения числа оборотов приводного барабана или регулированием толщины слоя на ленте, что достигается с помощью вертикального плоского затвора (шибера) 4, устанавливаемого непосредственно за разгрузоч­ным отверстием бункера.

 

Рис. 189

 

Пластинчатый питатель может работать на любом материале и применяется при тяжелых условиях работы: высокой температуре материала, крупных кусках и даже при влажном, налипаю­щем материале.

Ленточный питатель применяется для мелкозернистых материалов. Равномерность подачи в этих питателях лучше, чем у тарельчатых, поскольку здесь имеет место принудительная выдача материала, не связанная с сыпучестью его. Недостатком их явля­ется трудность герметизации.

Вибрационный питатель (рис. 190) состоит из лотка 2, который подвешивается к бункеру 1 при помощи винтовых пружинных стяжек (амортизаторов)3, позволяющих изменять угол наклона лотка.

 

Рис. 190

В результате вибраций, создаваемых электро­магнитным 4 или пневматическим вибратором, материал переме­щается по лотку. Подача материала регулируется изменением ам­плитуды колебаний. Вибрационные питатели просты по устройству и служат для подачи как мелкозернистых, так и кусковых материа­лов.

Для технологических процессов важна не объемная дозировка, по принципу которой действуют указанные выше питатели, а ве­совая подача твердого материала. Поскольку влажность, фрак­ционный состав и т. п. в значительной степени изменяют насыпной вес материала, объемные питатели дают погрешность по весу до 10 % и больше.

Весовые питатели (дозаторы) включают уст­ройства для взвешивания материала и для автоматического под­держивания заданной подачи. Взвешивание производится, обычно, на ленточных весах (рис. 191). На ленточном транспор­тере между двумя опорами ленты расположен весовой рычаг 3, шарнирно укрепленный на стойке 2. Этот участок ленты является ве­совой платформой. На одном плече рычага смонтирован весовой ролик 1, на который действует вес ленты и материала, находяще­гося на весовой платформе. Второе плечо рычага тягой 5 соединено с коромыслом 6. Находящийся на весовой платформе материал уравновешивается передвигающейся по коромыслу гирей 7 в соответствии с требуемой весовой подачей материала. Указанное устройство (применяются и другие конструктивные решения, на­пример, весовые ролики под лентой могут находиться на раме, которая подвешена при помощи тяг к весовым рычагам) только регистрирует весовую подачу материала.

 

Рис. 191

Для обеспечения постоянства заданной подачи коромысло долж­но быть соединено с регулятором подачи того или иного питателя. Если коромысло весов связано с шибером 4 питающей воронки этого же транспортера непосредственно (см. рис. 191) или с помощью передаточного механизма и мотора, то это будет уже ленточный весовой дозатор. При подаче питателем материала, превышающего по весу заданную подачу, коромысло 6 изменит свое положение, что явится импульсом для изменения положения регулирующего шибера 4, который уменьшит подачу. И, наоборот, при уменьшении подачи шибер откроется и увеличит слой материала на ленте.

Однако ленточный питатель не является лучшим для всех ма­териалов. Более рационально устройство весовой части, отделен­ной от питателя (шнекового, тарельчатого, вибрационного и др.). При этом отклонение коромысла весов служит импульсом для из­менения, с помощью исполнительного механизма, регулятора подачи питателя, например, числа оборотов шнекового питателя, перемещения по диску сбрасывающего скребка (ножа) или пере­мещения телескопического патрубка (манжеты) тарельчатого пи­тателя, изменения амплитуды колебаний вибрационного питателя.

Погрешность весовых дозаторов может быть снижена до долей процента.