Przedstawiono różne obszary przepływu w materiale sypkim - zależnie od pozycji podajnika zgarniakowego. Dla pokazanej charakterystyki przepływu wyjaśniono okresowe
zmiany obciążenia i naprężeń podczas wyładunku.

Ponadto na podstawie pomiarów poziomych i pionowych obciążeń ścian obliczono asymetryczny rozkład naporu pionowego na ścianę silosu. Można wykazać, że komora silosu ugina się w przeciwstawnych kierunkach w stosunku do pozycji podajnika zgarniakowego, zależnie od tego, czy zastosowano stożek o kącie 40° czy 70°.

1. Wprowadzenie
Zgarniak obrotowy, na ogół o kształcie krzywej logarytmicznej, jest mechanicznym podajnikiem, który okazał się skuteczny nawet w przypadkach trudnych materiałów sypkich. Pomimo to wiele
problemów nadal pozostaje nierozwiązanych. Na przykład wiedza o usytuowaniu obciążeń w silosach z podajnikiem zgarniakowym jest zaledwie ogólnikowa. Dzieje się tak, ponieważ stożki centralne
stosuje się, by wpływać na model przepływu i odciążać podajniki, a także dlatego, że metoda działania tych podajników wytwarza wirujący odśrodkowy kanał przepływowy w silosach.

Poniższy raport przedstawia wyniki badań z wykorzystaniem swobodnie płynącego piasku krzemowego, przeprowadzonych w Niemczech na Uniwersytecie w Karlsruhe (TH) przez Instytut Budowy Maszyn i Zarządzania.

2. Koncepcja mechaniczna i pomiarowa sprzętu badawczego
Średnica użytego w badaniach silosu o symetrii osiowej wynosiła 1 m, a wysokość komory 2 m. Dno silosu jest poziome, a kąty nachylenia b wewnętrznych stożków umieszczonych centralnie nad
wylotem wynoszą 40° i 70° w stosunku do płaszczyzny poziomej. Dzięki temu można uzyskać zmienne warunki przepływu (rys. 1.). Stożki mają także różne średnice podstaw, aby można było ustawiać różne szerokości szczeliny SW (SW = odległość między podstawą stożka a ścianą silosu).

Aby zmieniać wysokość szczeliny SH (SH = odległość między podstawą stożka i dnem silosu), stożki podparto przesuwnymi w pionie belkami poprzecznymi, które można pozycjonować za pomocą
napędów liniowych. Podajnik zgarniakowy o dużym, średnim lub małym zgięciu (kąt wygięcia α=25°, 35° czy 45°; rys. 1.) poruszany jest silnikiem elektrycznym o prędkości kątowej, którą można zmieniać przez regulację częstotliwości.

W celu uzyskania równomiernego napełniania zamontowano na silosie urządzenie umożliwiające ciągły przepływ materiału sypkiego przez okrągły otwór. Z uwagi na nierozwiązane problemy dotyczące konstrukcji silosu i podajnika zainstalowano celki naprężeń trójosiowych do wykrywania obciążeń stałych od materiału sypkiego. Zastosowano także różne urządzenia pomiarowe do rejestracji pracy i parametrów maszyny. Pozwala to na rejestrację działania napędu przez momentometr i czytnik RPM, wyładowywanego materiału stałego poprzez wagowy zasilacz taśmowy, a pozycji podajnika zgarniakowego poprzez licznik impulsów.

W Niemczech na Uniwersytecie w Brunszwiku w Institut für Mechanische Verfahrenstechnik i w japońskim Instytucie Inżynierii Mechanicznej i Produkcji na Uniwersytecie w Tokio opracowano i zbudowano dwa różne modele komór do pomiaru naprężeń trójosiowych, które stosuje się do mierzenia naprężeń normalnych jak również naprężeń stycznych. Montuje się je w dnie silosu w ustalonych miejscach o różnych promieniach, w gładkim pionowym krążku, wpuszczonym w ścianę płasko z powierzchnią.

Celki mierzące naprężenia znajdują się w stałym położeniu, podczas gdy kanał przepływu oraz maksima i minima obciążenia w silosie rotują wraz z podajnikiem zgarniakowym. W ciągu jednego pełnego obrotu podajnika zgarniającego celki doko-nują kilku odczytów obciążeń będących funkcją bieżącego położenia podajnika. Obciążenie ściany silosu rozpatruje się następnie w stosunku do quasi-stacjonarnego położenia podajnika zgarniakowego.

W tym celu obciążenia zmierzone podczas kompletnego obrotu podajnika zgarniakowego odnoszone są do obwodu silosu w stosunku do odpowiedniego położenia podajnika zgarniakowego. Z tego względu obraz rozkładu naprężeń tworzy „quasi-zdjęcie" zmierzonych wartości (rys. 2.).

3. Wydajność wyładunku
W zakresie przeładunku mechanicznego rejestrowano szybkość wypływu, moment napędowy i energię napędu w funkcji parametrów geometrycznych i napędowych. Między 0,5 a 6,0 obr./m szybkość wyładunku wykazuje liniową zależność od prędkości kątowej. Dla podajników zgarniakowych o kątach wygięcia α 35° i 45° (rys. 1.) szybkości wyładunku są w przybliżeniu równe. Przy kącie wygięcia α=25° szybkość wyładunku wzrasta o 10 do 15%.

Sprawność energetyczną, którą definiuje się jako stratę energii na kg wyładowanego materiału sypkiego, oblicza się, dzieląc współczynnik mocy napędowej (w Nm/s) przez natężenie wyładunku
(w kg/s). Można wykazać, że nachylenie stożka nie ma wpływu na tę wartość, natomiast kąt wygięcia α podajnika zgarniakowego ma dostrzegalny wpływ, a geometria wylotu (szerokość szczeliny SW
oraz wysokość szczeliny SH) - znaczący wpływ.

Aby zminimalizować jednostkowy wydatek energetyczny, należy dobrać możliwie jak największą wysokość szczeliny SH, a szerokość szczeliny SW możliwie jak najmniejszą. Bardziej wskazany jest wzrost prędkości kątowej niż zwiększenie szerokości szczeliny. Moment napędowy wytworzony na początku procesu wyładunku po początkowym napełnieniu silosu ujawnia typową krzywą o trójfazowym przebiegu (rys. 3.). Krzywa ta charakteryzuje się krótkotrwałym szczytem (rozruchowy moment napędowy,
faza I), wysokim momentem podczas pierwszego pełnego obrotu zgarniaka (faza II) i względnie niskim momentem podczas wyładunku, począwszy od drugiego obrotu i przez wszystkie kolejne obroty oraz w etapach ponownego uruchamiania (moment roboczy w stanie ustalonym, faza III). Przejście od niekorzystnego stanu naprężeń przy napełnianiu do korzystnego stanu naprężeń przy wyładunku następuje pod stożkiem po pierwszym obrocie zgarniaka i jest stabilne w odniesieniu do pozycji podajnika zgarniakowego.

Jeśli podczas początkowego napełniania silosu, przy niskim poziomie napełnienia, zostanie wygarnięta mała ilość materiału stałego, system automatycznie dostosowuje się do korzystnego stanu naprężeń wyładunkowych w obszarze wylotu. W przypadku materiałów niepodatnych na pełzanie nie ma potrzeby
ustawiania napędu podajnika na niekorzystne obciążenia dla maksymalnego napełnienia. Powodują one, że początkowy szczyt jest wysoki, a moment obrotowy w pierwszym obrocie podajnika zgarniakowego wzrasta. W leju musi pozostać pewna ilość materiału przed ponownym rozpoczęciem napełniania.

 Ponieważ kąt wygięcia α podajnika o kształcie krzywej logarytmicznej (rys. 1.) jest stały dla wszystkich punktów krzywej, lemiesz zgarniacza można traktować jako kilka nieskończenie małych prostych lemieszy zgarniacza o stałym kącie α względem kierunku ruchu. Całkowitej sumy oczekiwanego momentu napędowego nie można jeszcze obliczyć - obecnie ta wartość jest w trakcie badań.Odkryto jednakże, że względną zmianę momentu poprzez zmianę kąta wygięcia α podajnika można oszacować drogą teoretycznej obserwacji pojedynczego ziarna na zgarniaku przenośnikowym.

Metodę tę można stosować, jeśli w istniejącym systemie wprowadza się nowy podajnik o innym kącie wygięcia α. Jeśli znana jest praca teoretyczna W, potrzebna usunięcie pojedynczego ziarna z taśmy liniowej, to można otrzymać funkcję kąta lemiesza zgarniaka α, gdzie ϕA = kąt tarcia między pełnym ziarnem i łopatką zgarniającą, α = kąt lemiesza zgarniającego.

Jeśli zrobić wykres wymaganej pracy usuwania W odniesionej do pracy usuwania przy kącie α=25° (Wα/W25°), w zależności od kąta lemiesza zgarniaka α otrzyma się krzywą pokazaną linią przerywaną
na rys. 5. Porównanie tej krzywej z podobną względną krzywą dla momentów wyładunku (Tα/T25°) wskazuje, że względną zmianę momentu wyładunku - w zależności od kąta wygięcia α podajnika
zgarniającego - można oszacować metodą teoretycznej obserwacji pojedynczego ziarna. Niestety, obserwacja pojedynczego ziarna nie całkiem odpowiada faktycznym warunkom.

Więcej w numerze 3/2010 Powder&Bulk